Исследование интегрального операционного усилителя

Цель работы

Изучить свойства интегрального операционного усилителя (ОУ) типа К140УД7 на примере четырех схем включения: инвертирующего масштабного ОУ, неинвертирующего масштабного ОУ, интегрирующего ОУ и дифференцирующего ОУ.

Содержание работы

1. Исследование инвертирующей и неинвертирующей схем включения

операционного усилителя (ОУ). Определение параметров K_U, R _вх, R _вых.

2. Снятие АЧХ масштабного ОУ.

3. Снятие временных диаграмм выходного напряжения дифференцирующего и интегрирующего ОУ.

Общая часть

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения

различных операций над аналоговыми величинами (сигналами).

В настоящее время в качестве УПТ в основном используют интегральные операционные усилители в виде микросхем. По конструктивному исполнению они являются законченными широкополосными УПТ, имеющими большой коэффициент усиления и широкое применение не только для выполнения математических операций, но и в различных функциональных устройствах.

ОУ всегда применяется с цепью глубокой отрицательной ОС. В этом случае результирующей коэффициент усиления K_U определяется только параметрами цепи ОС и не зависит от исходного коэффициента усиления K ₀ и его изменений.

Инвертирующий масштабный ОУ (рис. 4.1) имеет параллельную ОС по напряжению, образуемую резисторами R ₂ и R ₁. Резистор R ₃ служит для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения напряжения смещения нуля I _см. Параметры схем определяются простыми выражениями:

K_U = –, R _вх= R ₁.

100 к

R 2

100 к

R 2

10 к

R 1

10 к

R 1

U вх

U вых

U вых

U вх

 

DA2

9,1 к

R 3

DA1

9,1 к

R 3

 

Рис. 4.1. Схема инвертирующего ОУ Рис. 4.2. Схема неинвертирующего ОУ

 

Неинвертирующий масштабный ОУ (рис. 4.2) охвачен последовательной ОС по напряжению, образуемой теми же резисторами R ₂ и R ₁.

Для этой схемы K _U = +1, R _вх » R _вх.сф,

где R _вх.сф – синфазное входное сопротивление ОУ.

R ос

C ос

Интегрирующий ОУ (рис. 4.3) содержит реактивный элемент – конденсатор, включенный вместо резистора R ₂ в цепи ОС.

C 1

U вх

U вх

U вых

U вых

R 1

 

R 1

DA2

DA1

R 2

 

 

Рис. 4.3. Схема интегрирующего ОУ Рис. 4.4. Схема дифференцирующего ОУ

 

Передаточная функция ОУ имеет вид:

W (p) = = – =.

Связь между U _вых и U _вх в операторной форме имеет вид:

U _вых(p) = W (p)· U _вх(p) =.

Переходя к оригиналу, получим временную зависимость между U _вых и U _вх:

U _вых(t) = ò U _вх(t) dt + U ₀.

При подаче постоянного входного напряжения на выходе интегратора получим линейно нарастающее напряжение:

U _вых(t) =.

Дифференцирующий ОУ (рис. 4.4) содержит конденсатор C на входе вместо резистора R ₁. Его передаточная функция имеет вид:

W (p) = = pR _ос C ₁.

а временная зависимость между U _вых и U _вх определяется выражением:

U _вых(t) = R _ос C ₁.

 

Порядок проведения работы

3.1.Исследование инвертирующего ОУ.

3.1.1. Собрать на стенде схему исследуемого ОУ (рис. 4.5). Для этого инвертирующий вход ОУ подключить через резистор R ₅=10 кОм к источнику входного сигнала U ₁, неинвертирующий вход соединить через резистор R ₄ = 10 кОм с общей шиной, а в цепи ОС включить резистор

R ₆ = 100 кОм. Зарисовать исследуемую схему. Источник сигнала U ₁ отключить выключателем S ₁.

3.1.2. Произвести балансировку схемы ОУ. Для этого подключить к выходу ОУ вольтметр постоянного тока и установить с помощью переменного резистора R ₉ нуль на выходе ОУ. Измерить и занести в табл. 4.1 величину разбаланса на выходе U ₀ при R ₄ = 0, для чего кратковременно закоротить R ₄ перемычкой.

R 4

+U 2

R 9

U 2

A 1

a

C 2

R 5

R 6

C 1

U 1

X 1

R 1

+U 1х

S 1

U 3

X 3

R 3

R 10

G

Рис. 4.5. Схема для исследования ОУ

 

3.1.3. Определить коэффициент K_U усиления ОУ. Для этого подать входной сигнал U ₁ = 0,5 В, измерить выходной сигнал U ₂ с учетом знака и занести его величину в табл. 4.1. Определить коэффициент усиления

K_U = и сравнить его с теоретическим значением K_U = –. Результаты занести в табл. 4.1.

3.1.4. Определить входное сопротивление ОУ. Для этого подать входной сигнал U ₁ = 0,5 В, измерить вольтметром падение напряжение D U

на входном резисторе R ₅, рассчитать входной ток I _вх = и R _вх =. Сравнить эту величину с теоретическим значением R _вх = R ₅. Результаты занести в табл. 4.1.

3.1.5. Определить выходное сопротивление ОУ. Для этого при входном сигнале U ₁ = 0,5 В измерить выходной сигнал U ₂ на холостом ходу и с подключенной нагрузкой U _2н, подсоединив перемычкой нагрузочный резистор R ₁₀ = 100 Ом. Определить выходное сопротивление по формуле

R _вых = R _н (– 1). Сравнить эту величину с нормируемым значением для исследуемого типа ОУ (R _вых = 500 Ом без ОС). Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

 

 

Параметры

Вид схемы

Инвертирующий ОУ

Неинвертирующий ОУ

Условные обозначения

U 0, мВ

U 2, В

KU

D U, В

R вх, кОм

U 2н, В

R вых Ом

U 2, В

K

D U, В

R вх, кОм

U 2н, В

R вых Ом

Эксперим.

Теорет.

–

–

–

–

–

3.2. Исследование неинвертирующего ОУ.

3.2.1. Собрать на стенде схему исследуемого ОУ (рис. 4.2). Неинвертирующий вход (рис. 4.5) подключить через резистор R ₄ = 10 кОм к источнику входного сигнала U ₁, инвертирующий вход подключить через резистор R ₅ = 10 кОм к общей шине, в цепи ОС включить резистор

R ₆ = 100 кОм. Зарисовать схему ОУ.

3.2.2. Определить коэффициент усиления ОУ. Для этого произвести измерения по аналогии с пп. 3.1.3. и сравнить результат с теоретическим значением коэффициента K = () + 1.

3.2.3. Определить входное сопротивление ОУ. Для этого произвести операции по аналогии с пп. 3.1.4. и сравнить результаты с нормируемым входным сопротивлением для синфазного сигнала R _вх = 400 кОм.

3.2.4. Определить выходное сопротивление. Для этого произвести операции по аналогии с пп. 3.1.5.

3.2.5. Снять АЧХ ОУ. Для этого подать на неинвертирующий вход ОУ через резистор R ₄ синусоидальный сигнал U ₃ = 50 мВ от внутреннего генератора с изменяемой частотой от 32 Гц до 64 кГц. Измерить вольтметром переменного тока выходной сигнал U ₂ на этих частотах и заполнить табл. 4.2, включив в нее результат измерения K_U при постоянном токе при

f = 0 (пп. 3.2.2). Построить график АЧХ.

Таблица 4.2

 

f, кГц	0,032	0,063	0,125	0,25	0,5
U вых, В
KU

3.3. Исследование интегрирующего ОУ.

3.3.1. Собрать схему исследуемого ОУ (рис. 4.5). В цепи включить конденсатор C ₂ = 1 мкФ (рис. 4.5), неинвертирующий вход соединить через резистор R ₄ с общей шиной, а инвертирующий вход подключить через резистор R ₅ к генератору прямоугольного переменного напряжения

(точка А). Генератор построить на основе дополнительного ОУ без ОС, подав на его инвертирующий вход максимальный синусоидальный сигнал U ₃ частотой 32 Гц с помощью проводника. Выход этого генератора соединен через разделительный конденсатор с гнездом в точке А (генератор и точка А находятся на стенде).

3.3.2. Снять осциллограммы сигналов на входе н выходе интегрирующего ОУ. Сигналы зарисовать в синхронной связи один под другим.

3.3.3. Рассчитать теоретически амплитуду выходного сигнала интегрирующего ОУ, используя выражение U _{2 m} = 0,25· U _{вх. m} ·, и сравнить ее экспериментальным значением, полученным из осциллограммы.

3.4. Исследование дифференцирующего ОУ.

3.4.1. Собрать схему исследуемого ОУ. В цепи ОС включить резистор R ₆ = 100 кОм, неинвертирующий вход соединить через резистор R ₄ с общей шиной, а инвертирующий вход подключить через конденсатор

C ₁ = 1000 пФ к генератору переменного прямоугольного напряжения

(точка А).

3.4.2. Снять осциллограммы сигналов на входе и выходе ОУ по аналогии с пп. 3.3.2.

Содержание отчета

1. Экспериментальные схемы – 5 шт.

2. Экспериментальные таблицы – 2 шт.

3. График АЧХ ОУ.

4. Осциллограммы сигналов на входе и выходе интегрирующего ОУ.

5. Осциллограммы сигналов на входе и выходе дифференцирующего ОУ.

5. Контрольные вопросы

1. Перечислить основные схемы включения и области применения ОУ.

2. Перечислить основные параметры интегральных ОУ.

3. Объяснить назначение элементов в исследуемых схемах.

4. Как и почему отличаются коэффициенты усиления в схемах инвертирующего и неинвертирующего ОУ?

5. Как и почему отличаются входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего ОУ?

6. Как и почему отличаются АЧХ усилителя с емкостной связью и интегрального ОУ?

7. Объяснить форму выходного сигнала интегрирующего ОУ.

8. Объяснить форму выходного сигнала дифференцирующего ОУ.

9. Обосновать метод определения выходного сопротивления по опытным данным.

10. Обосновать выражение для расчета амплитуды выходного сигнала

интегрирующего ОУ.

СБОРНИК ЗАДАЧ