Лабораторная работа № 2 «Операционные усилители»

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Кафедра автоматики

Лабораторная работа № 2

Операционные усилители

Выполнили: Бурова : 4

A.

Проверил:

Новосибирск, 2007г.

Цель работы:

Изучение свойств ОУ, логарифмических, интегрирующих усилителей; изучение принципов работы инвертирующего масштабирующего, логарифмического усилителя и интегратора.

Оборудование:

Компьютерная программа Electronics Workbench, моделирующая принцип работы различных электрических цепей.

Исходные данные и рабочие формулы:

ОУ: K140УД10

Сопротивления: R1=10 кОм

R2=30 кОм

R3=7,5 кОм

Ход работы:

1.  Инвертирующий ОУ.

1.1  Схемы

Рис.1. Схема инвертирующего ОУ.

1.2  Параметры ОУ

Табл.1 Таблица параметров для ОУ K140УД10

Параметр	Идеальный ОУ	Реальный ОУ
Коэффициент усиления (А)	¥	50000
Входное сопротивление (RI)	¥	400000 Ом
Выходное сопротивление (RO)	0	150 Ом
Макс. выходное напряжение (VSW)	±E	±12 В
Напряжение смещения нуля (VOS)	0	0,005 В
Входные токи (IBS)	0	5e-07 А
Разность входных токов (IOS)	0	1,5e-07 А
Скорость нарастания вых. напряжения (SR)	¥	3e+07 В/с

1.3  Осциллограммы

Рис.2 Осциллограммы входного( — ) и выходного(—) напряжений

Разность фаз Dj=180°, так как ОУ инвертирующий.

1.4  Определение расчетного и экспериментального коэффициентов усиления

Vвх=-3,536 мВ

Vвых=10,61 мВ, где и - показания вольтметров (вольтметры включены в режиме измерения переменного сигнала (АС)).

1.5  Осциллограммы

Рис.3 Осциллограммы U-(t) и выходного напряжения

Поскольку схема линейная то, U+ = U - ,напряжение на клеме «+» (земля) равно нулю и на клеме «-» должен быть ноль. Поэтому это напряжение называют напряжением эквипотенциального нуля.

1.6  Определение постоянной составляющей выходного напряжения Uo вых

Измерение постоянной составляющей выходного напряжения Uo вых эксп. Для этого мы подключили вход инвертирующего усилителя к корпусу, переключили выходной вольтметр в режим измерения постоянного сигнала (DC) и зафиксировали выходное напряжение Uo вых эксп=15,50мВ

Используя значение напряжения смещения Uсм =0.005 В и теоретическое значение коэффициента усиления вычислили постоянную составляющую выходного напряжения U o вых. теор мВ

1.7  Построение зависимости Uвых=f(Uвх)

Подключили вход инвертирующего усилителя к функциональному генератору. Подали на вход схемы двухполярное пилообразное напряжение частотой 1Гц и амплитудой 5 В

Табл.2 Таблица для экспериментального построения зависимости .

(Амплитуда Uвх должна изменяться от –Uвх макс до +Uвх макс).

Uвых, (В)	-11,76	-11,56	-11,29	-4,92	5,63	11,35	12,08	12,11
Uвх, (В)	4,93	4,23	3,83	1,64	-1,88	-3,79	-4,49	-4,98

Рис. 4 Зависимость Uвых=f(Uвх)

-  При | Uвх | = 3,8 начинается искажение формы выходного сигнала, так как выходное напряжение при данном Uвх достигаем максимального допустимого значения.

-  Поскольку U - не зависит от Uвых, то искажения на клеме «-» не происходит.

-  Напряжением Uвых можно пренебречь, когда ОУ работает в линейном режиме , то есть

U-=U+=0

1.8  Построение зависимости выходного напряжения от частоты

На входе схемы - синусоидальное напряжение амплитудой 5 мВ.

Uвх=3,536 мВ

Табл.3 Таблица для экспериментального построения зависимости выходного напряжения от частоты

f	1Гц	100Гц	1кГц	100кГц	200кГц	400кГц	600кГц	800кГц	1МГц
Lg f	0	2	3	5	5,301	5,602	5,778	5,903	6
Uвых, (В)	10,61	10,61	10,61	10,6	10,59	10,54	10,46	10,35	10,21
K=Uвых/Uвх	3	3	3	2,998	2,995	2,981	2,958	2,927	2,887

Рис. 5 Зависимость выходного напряжения от частоты

2.  Неинвертирующий ОУ.

2.1  Схемы

Рис.6 Схема неинвертирующего ОУ.

2.2  Осциллограммы

Рис.7 Осциллограммы входного(—) и выходного(—) напряжений

Разность фаз Dj=0°, так как ОУ не инвертирующий.

2.3  Определение расчетного и экспериментального коэффициентов усиления

Vвх=-3,535 мВ

Vвых=14,14 мВ, где и - показания вольтметров (вольтметры включены в режиме измерения переменного сигнала (АС)).

2.4  Осциллограммы

Рис.8 Осциллограмма U-(t) (—) и выходного (—)напряжения

2.5  Построение зависимости выходного напряжения от частоты

На входе схемы - синусоидальное напряжение амплитудой 5 мВ.

Uвх=3,535 мВ

Табл.4 Таблица для экспериментального построения зависимости выходного напряжения от частоты

f	1Гц	100Гц	1кГц	100кГц	200кГц	400кГц	600кГц	800кГц	1МГц
Lg f	0	2	3	5	5,301	5,602	5,778	5,903	6
Uвых, (В)	14,14	14,14	14,14	14,14	14,12	14,05	13,95	13,81	13,63
K=Uвых/Uвх	3,99887	3,99887	3,99887	3,99887	3,9932	3,9734	3,9451	3,9055	3,8546

Рис. 9 Зависимость выходного напряжения от частоты

2.6  Построение зависимости Uвых=f(Uвх)

Подключили вход инвертирующего усилителя к функциональному генератору. Подали на вход схемы двухполярное пилообразное напряжение частотой 1Гц и амплитудой 5 В

Табл.5 Таблица для экспериментального построения зависимости .

(Амплитуда Uвх должна изменяться от –Uвх макс до +Uвх макс).

Uвых, (В)	-12,3	-12,27	-5,51	6,53	11,29	11,65
Uвх, (В)	-4,81	-3,07	-1,39	1,62	2,87	4,74

Рис. 10 График зависимости Uвых=f(Uвх)

3.  Логарифмический усилитель.

3.1  Схемы

Рис.11. Схема логарифмирующего усилителя.

3.2  Осциллограммы

Рис.12 Осциллограмма входного и выходного напряжений

3.3  Снятие характеристики Uвых=f(Uвх)

Табл. 6 Характеристика Uвых=f(Uвх)

Uвх, (В)	0,106	0,696	1,296	3,316	3,948	2,484	1,144	3,5
Uвых, (mВ)	2,123	-12,47	-23,87	-49,227	-55,038	-40,346	-21,221	-51

Рис 13 График зависимости Uвых=f(Uвх)

4.  Интегратор.

4.1  Схемы

Рис.16. Схема интегратора.

4.2  Осциллограммы

Рис.14 Осциллограммы входного(—) и выходного(—) напряжений

С=20

С=50

r=20,c=10

r=50,c=10

4.3  Получение характеристик интегратора

Табл. 7 Характеристики интегратора при различных R1 и C

R1, Oм	10 к
С, нФ	20	50
Uвыхm, (B)	6,28	2,59
V(Uвых)max, (В/мкс)	0,025	0,0095
С, нФ	10
R1, Oм	20к	50к
Uвыхm, (B)	6,12	2,5
V(Uвых)max, (В/мкс)	0,024	0,0099

Выводы:

1.  Инвертирующий ОУ.

Инвертирующий ОУ производит одновременные инверсию и усиление сигнала. Судя по осциллограмме входного и выходного напряжений ОУ обладает коэффициентом усиления Ку~5В. Также ОУ производит инверсию сигнала, поэтому между входным и выходным напряжением Dj=180°. Расчётный и экспериментальный коэффициенты усиления подтверждаются осциллограммой входного и выходного напряжении. По осциллограмме U-(t) видно, что U-(t)~0. Это происходит из - за того, что поскольку схема линейная то, U+ = U- ,напряжение на клеме «+» (земля) равно нулю и на клеме «-» должен быть ноль. Поэтому это напряжение называют напряжением эквипотенциального нуля. Напряжение смещения нуля Uсм показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвых=0. Напряжение Uo вых эксп примерно равно значению Uo вых теор. Для ОУ справедлива формула Uвых=А(U+ + U-) ≤|Епит|, т. к U-~0, то можно записать Uвых=АUвх ≤|Епит|. Когда напряжение на входе становится Uвх=Uвых/А=|Епит|, то начинается искажение формы выходного сигнала. По снятой характеристике видно, что при | Uвх | = 2.35 начинается искажение формы выходного сигнала, так как выходное напряжение при данном Uвх достигаем максимального допустимого значения. Поскольку U - не зависит от Uвых, то искажения на клеме «-» не происходит. Напряжением U - можно пренебречь, когда ОУ работает в линейном режиме, то есть U-=U+=0. По снятой зависимости выходного напряжения от частоты можно найти граничное значение частоты входного сигнала, при котором сохраняются стабильные усилительные свойства ОУ. Для ОУ K140УД11 такое значение равно 200кГц, после этого Ку начинает уменьшаться.

2.  Неинвертирующий ОУ.

Неинвертирующий ОУ производит только усиление сигнала. Судя по осциллограмме входного и выходного напряжений ОУ обладает коэффициентом усиления Ку~6В, что отличается от Ку инвертирующего усилителя. Неинвертирующий ОУ не производит инверсию сигнала, в отличие от инвертирующего, поэтому между входным и выходным напряжением Dj=0°. Расчётный и экспериментальный коэффициенты усиления подтверждаются осциллограммой входного и выходного напряжений. Сравнивая осциллограмму входного напряжения с совместной осциллограммой U-(t) и выходного напряжения видно, что U-(t)~Uвх. Это происходит из - за того, что поскольку схема линейная то, U+ = U-= Uвх, т. е напряжения на клеме «-» и входное должны совпадать. . По снятой зависимости выходного напряжения от частоты можно найти граничное значение частоты входного сигнала, при котором сохраняются стабильные усилительные свойства ОУ. Для ОУ K140УД11 такое значение равно 200кГц, после этого Ку начинает уменьшаться. Критическое значение частоты совпадает со значением для инвертирующего ОУ. График зависимости Uвых=f(Uвх) для неинвертирующего усилителя практически совпадает с графиком той же зависимости для инвертирующего ОУ. Отличие заключается в том, что эти графики симметричны друг с другом относительно оси Uвых. Это объясняется тем, что у неинвертирующего усилителя Uвых=КуUвх, а у инвертирующего Uвых=-КуUвх.

3.  Логарифмический усилитель.

Логарифмический усилитель служит для реализации операции Uвых.=аlnbUвх. Таким образом при подаче входного сигнала на выходе наблюдается его логарифм. Схема линейная, поэтому U+ = U-=0. При этом для качественного логарифмирования следует выбирать диоды с минимальным тепловым током, а R – килоомы. В исследуемой схеме Uвых расчёт~ Uвых экспер, т. е элементы схемы подобраны верно и происходит качественное логарифмирование.

4.  Интегратор.

Интегратор работает в линейном режиме и предназначен для реализации операции интегрирования. Кроме того он эффективно подавляет шумы. Интегратор нуждается в тщательной балансировке, только тогда можно получить качественное интегрирование. В таком случае справедлива формула для выходного сигнала . Так как на вход исследуемого интегратора подаются биполярные импульсы, то выходное напряжение после интегрирования должно иметь биполярный пилообразный вид. Это подтверждается снятыми осциллограммами входного и выходного напряжений. Если изменять сопротивление R, а ёмкость С оставлять постоянным, то значения амплитуды выходного напряжения и его скорости нарастания будут изменяться. С уменьшением скорости нарастания выходного сигнала уменьшается его амплитуда, т. к при одинаковой длительности импульсов выходного напряжения оно успевает достигать всё меньшего значения. Первая половина таблицы совпадает со второй, так как τ=RC (постоянная времени интегратора) не меняется (принимает одинаковые значения).