Разработка модульного прибора для проведения исследования операционных усилителей (стр. 3 )

При этом для выходного напряжения по­лучается выражение более общего вида:

(6.3)

или

Из этих соотношений вытекает другое удобное определение коэффициента осла­бления синфазного сигнала. При ∆Ua= 0.

Коэффициент ослабления синфазного сиг­нала показывает, какое значение дифферен­циального входного напряжения ∆UD сле­дует приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала на выходе усилителя.

Так как передаточные характеристики, изображенные на рис. 6.2 и 6.3, в рабочей области практически линейны, формулу

Рис. 6.3. Выходное напряжение опера­ционного усилителя как функция синфаз­ного входного сигнала.

(6.3) с учетом напряжения смещения можно записать как или

(6.4)

При Uo → 0 и UGl         0 это соотношение принимает вид формулы (6.1). Решение у равнения (6.4) относительно UD дает

(6.5)

Для идеального операционного усилителя Uo = 0, АD → 0 и G → 0. Это оз­начает, что теоретически, для того чтобы получить любое конечное значение выход­ного напряжения Ua, необходимо прило­жить бесконечно малое напряжение UD.

Как будет видно из следующей главы, операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из со­ображений устойчивости должен иметь та­кую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно выполнять­ся по меньшей мере вплоть до частоты, при которой | АD I = 1. Для выполнения этого требования схема операционного усилителя должна содержать фильтр ниж­них частот с очень низкой частотой среза. На рис. 6.4 представлена типичная частот­ная характеристика дифференциального коэффициента усиления такого “частотно-скорректированного” операционного усилителя.

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такогоусилителя выражается следующей формулой:

(6.6)

Здесь А—предельное значение А л на ниж­них частотах. Выше частоты fgA соответствующей границе полосы пропускания на уровне З дБ, модуль коэффициента усиления АD обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

(6.7) На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления 1 А о I = 1. Как следует из выражения (6.7), частота ]. равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы.

Входное сопротивление

Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопро­тивления. Различают входное сопротивле­ние для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схе­мой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рис. 6.5. у операционных усилителей с би­полярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала rD составляет несколько мегом, а входное сопротивление для син­фазного сигнала rGl несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопро­тивлениями, имеют величину порядка не­скольких наноампер.

Рис. 6.4. Типовая частотная ха­рактеристика дифференциально­го коэффициента усиления операционного усилителя.

Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя.

Входной ток при отсутствии сигнала

определяется по формуле

а входной ток смещения как

Рис. 6.5. Схема замещения для дифференциального и синфазного входных сопротивлений и начального входного тока операционного усилителя.

Для стандартных биполярных опера­ционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входны­ми каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколь­ко наноампер[2,11].

5.Методы исследования

Измерение частотных характеристик и прилегающих к ним:

1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной плате.

2) Подключили систему стабилизированных блоков питания модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение равное 27в.

3) С помощью переменных резисторов установили напряжение питание на ОУ 15в.

4) Подключили к входу генератор частот, точный вольтметр, к выходу – осциллограф, второй точный вольтметр.

5) Сняли частотные характеристики, напряжение смещение, дифференциальный коэффициент усиления, номинальный потребляемый ток, область ослабления синфазного сигнала, максимальный выходной ток, область усиления по входному напряжению, максимальное выходное напряжение, входной ток при отсутствии сигнала, коэффициент ослабления синфазного сигнала, используя формулы изложенные в главе “Схемы и теория исследовательской части”.

6) Меняя напряжение питания 5в, 10в, 15в изобразили для наглядности графики коэффициента усиления ОУ при разных напряжениях питания и разных резисторах нагрузки.

Измерение сопротивлений:

1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной плате.

2) Подключили систему стабилизированных блоков питания модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение равное 27в.

3) С помощью переменных резисторов установили напряжение питание на ОУ 15в.

4) Подключили к входу + и – операционного усилителя точный вольтметр и амперметр.

5) Подали на вход + ОУ напряжение равное 10в.

6) По закону Ома рассчитали синфазное входное сопротивление

7) Сняли точный вольтметр и амперметр и подсоединили один вывод каждого к общему проводу(“земле”), затем другой вывод от каждого - к входу + ОУ, потом – к – ОУ, и при этом измеряя сопротивления.

8) Было установлено, что оба измеренных сопротивления практически не изменяются.

9) Все измеренные сопротивления возвели в степени с основаниями равными 10 (как и сказано в вышеизложенной главе) и занесли результаты в таблицу.

Измерение коэффициента ослабления изменения напряжения питания:

1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной плате.

2) Подключили систему стабилизированных блоков питания модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение равное 27в.

3) С помощью переменных резисторов установили напряжение питание на ОУ 10в.

4) Подключили обычный вольтметр и генератор частот к входу, и точный с незначительной нагрузкой – к выходу.

5) Подали на вход напряжение равное 1в, затем равное 11в, и при этом снимали показания точного вольтметра.

6) С помощью интегральных формул, изложенных в главе о теории исследования, рассчитали коэффициент ослабления изменения напряжения питания, полученный результат занесли в таблицу.

Измерение дрейфа напряжения смещения:

1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной плате.

2) Подключили систему стабилизированных блоков питания модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение равное 27в.

3) С помощью переменных резисторов установили напряжение питание на ОУ 10в.

4) Подключили генератор частот к входу, и точный вольтметр с незначительной нагрузкой – к выходу.

5) Подали на вход напряжение равное 10в.

6) Предварительно модульный и другие приборы поставили на стол, открыли форточку и остудили кабинет до нуля градусов цельсия, для того чтобы все радиокомпоненты ОУ равномерно охладились.

7) Сняли показания точного вольтметра, закрыли форточку и перешли в другое помещение.

8) Достали многофункциональный мультиметр и утюг.

9) Подключили утюг, и с помощью многофункциональный мультиметра измерили температуру утюга, меняя мощность нагревательного элемента установили температуру равную 70 градусов цельсия.

10) Поставили в модуль такой же ОУ, с комнатной температурой.

11) Разогрели утюгом ОУ в течении 30 секунд, и сняли показания с точного вольтметра.

12) С помощью интегральных формул, изложенных в главе о теории исследования,  рассчитали дрейф напряжения смещения, полученный результат занесли в таблицу.

Измерение коэффициента нелинейных искажений:

1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной плате.

2) Подключили систему стабилизированных блоков питания модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение равное 27в.

3) С помощью переменных резисторов установили напряжение питание на ОУ 15в.

4) Подключили к входу ОУ генератор, к выходу измеритель коэффициента нелинейных искажений с6-15.

5) Измерили коэффициент нелинейных искажений на разных частотах, средний результат внесли в таблицу.

Также в работу были внесены и другие характеристики пока ещё не изложенные в теории, но обозначенные в введении. Для примера две характеристики выведены в главе “Приложения”, исследованных с помощью осциллографа, точных вольтметров и специальных формул. Таковыми являются графики: график вспомогательного напряжения для реализации косинусной функции и график формирования скважности импульсов на частоте 80кГц (функция умножения).