Исследование характеристик операционного усилителя

Цель работы

1. Изучение основных характеристик и параметров операционного усилителя (ОУ).

2. Измерение входных токов (ОУ).

3. Оценка величин среднего входного тока и разности входных то- ков ОУ.

4. Измерение напряжения смещения ОУ.

5. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.

6. Вычисление выходного сопротивления ОУ.

7. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

Приборы и элементы

Вольтметр – группа Indicators Амперметр – группа Indicators Осциллограф – группа Instruments

Функциональный генератор – группа Instruments

Источники постоянного напряжения – группа Sources

Операционный усилитель LM741 – группа Analog ICs

Резисторы – группа Basic

Ключ – группа Basic

Краткие сведения из теории

Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется па- раметрами, описывающими его с точки зрения качества выполнения своих функций. В справочных данных обычно приводятся следующие основные параметры.

Средний входной ток I_ВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают паде- ния напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напря- жения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого па- дения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20 %.

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вы- числяемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

I В Х    = (I 1 + I 2 ) 2,                                       (9.1)

где I ₁ и I ₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирую- щего входов.

Разность входных токов DI _ВХ определяется выражением:

D I ВХ

= I 1 - I 2

(9.2)

 

В справочниках указывают модуль этой величины.

Схема для измерения входных токов представлена на рис. 9.1.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе K _o – по- казатель, определяющий эффективность усиление ОУ входных сигна- лов. У идеального ОУ  коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.

Рисунок 9.1 – Схема измерения входных токов ОУ

 

Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 9.2) вычисляется по формуле:

 

K U = - R 2  R 1 .                                         (9.3)

 

Рисунок 9.2 – Схема измерения напряжения смещения ОУ

 

Напряжение смещения U_СМ – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Напряжение смещения можно вычислить, зная выходное напряжение D U_ВЫХ при отсутствии напряжения на  входе и коэффициент усиления:

 

U СМ

= D U ВЫХ

K U  .                                  (9.4)

Входное сопротивление R_ВХ. Различают две составляющие вход- ного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и «землей»). Входное дифференциаль- ное сопротивление для ОУ на основе биполярных транзисторов нахо- дится обычно в пределах 10 кОм…10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения вход- ного синфазного напряжения D U_ВХ.СФ к вызванному приращению сред- него входного тока DI_ВХ.СР:

 

R ВХ. СФ

= D U ВХ. СФ  .                                       (9.5)

D I

ВХ. СР

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:

 

R ВХ. ДИФ

= D U ВХ  ,                                        (9.6)

D I

ВХ

где D U_ВХ – изменение напряжения между входами ОУ, D I_ВХ – изме- нение входного тока.

Выходное сопротивление R_ВЫХ интегральных ОУ составляет 20…2000 Ом. Наличие выходного сопротивления приводит к уменьше- нию амплитуды выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на соизмеримое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопро- тивления приведена на рис. 9.3.

Рисунок 9.3 – Схема измерения дифференциального входного и выходного сопротивления ОУ

 

Скорость нарастания выходного напряжения V_U.ВЫХ равна отно- шению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нараста-

ния при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания опреде- ляется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10 до 90 % от своих установившихся значений.

 

V    =  U ВЫХ

.                                       (9.7)

U. ВЫХ

t УСТ

Схема для измерения времени нарастания выходного напряжения показана на рис. 9.4.

Рисунок 9.4 – Схема измерения времени нарастания выходного напряжения

 

 

Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэф- фициентом усиления от 1 до 10.