Исследование основных схем включения операционного усилителя, применяемых в системах управления

 

Цель работы: ознакомиться с основными схемами включения операционного усилителя, выяснить влияние элементов схемы на работу усилителя.

[1, с.122-126]; [4, c.378-386]; [8, с.83-92].

 

Лабораторные схемы

 

Исследование основных схем включения операционного усилителя (ОУ) проводится с помощью лабораторного стенда, принципиальная схема которого приведена на рис.6.1.

С помощью лабораторного стенда можно собрать три основные схемы включения операционного усилителя: повторителя напряжения, инвертирующего и неинвертирующего усилителя.

Чтобы собрать схему инвертирующего усилителя (рис.6.2,а) необходимо на лабораторном стенде соединить между собой точки 15, а также точки 18. К точке К17 присоединить вход 2 осциллографа для наблюдения выходного сигнала, а к точке 13 со стороны резистора R11 присоединить выход генератора гармонических колебаний и вход 1 осциллографа для наблюдения входного сигнала. Земляной провод осциллографа и генератора присоединить к точкам К16, К18. Подключить стенд к блоку питания с напряжением 10…12 В.

Чтобы собрать схему неинвертирующего усилителя (рис.6.2,б) необходимо на лабораторном стенде соединить между собой точки 17, а также точки 16. К точке К17 присоединить вход 2 осциллографа для наблюдения выходного сигнала, а к точке 14 со стороны резистора R13 присоединить выход генератора гармонических колебаний и вход 1 осциллографа для наблюдения входного сигнала. Земляной провод осциллографа и генератора присоединить к точкам К16, К18. Подключить стенд к блоку питания с напряжением 10…12 В.

Чтобы собрать схему повторителя напряжения (рис.6.2,в) необходимо на лабораторном стенде соединить с помощью проволочной перемычки точки К17 и 15 (или 16) со стороны инвертирующего входа. К точке К17 присоединить вход 2 осциллографа для наблюдения выходного сигнала, а к точке 17 (или 18, или 19) со стороны неинвертирующего входа присоединить выход генератора гармонических колебаний и вход 1 осциллографа для наблюдения входного сигнала. Земляной провод осциллографа и генератора присоединить к точкам К16, К18. Подключить стенд к блоку питания с напряжением 10…12 В.

Домашнее задание

1. Изучить работу операционного усилителя и основных схем его включения.

2. Подготовить протокол к лабораторной работе. Начертить четыре принципиальные схемы: - инвертирующего и неинвертирующего усилителя, повторителя напряжения и лабораторного стенда.

3. Рассчитать номиналы резисторов инвертирующего и неинвертирующего усилителя для коэффициента усиления равного 10 и 100, соответственно.

 

Задание к лабораторной работе

1. Соберите схему повторителя напряжения. На его вход подайте гармонический сигнал двойной амплитудой 40 мВ и частотой 1 кГц. Определите коэффициент передачи по напряжению повторителя К_П из

(6.1)

где U_ВЫХ – напряжение сигнала на выходе повторителя;

U_ВХ – напряжение сигнала на входе повторителя.

С помощью двухлучевого осциллографа изобразите в одном временном масштабе входную и выходную осциллограммы для частоты 1 кГц. Убедитесь, что эмиттерный повторитель не инвертирует фазу сигнала.

2. Соберите схему инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 10. Для этого потенциометр R17 следует установить в положение 51 кОм (крайнее правое). На вход схемы подают гармонический сигнал частотой 1 кГц и напряжением 40 мВ. Замерьте напряжение на выходе и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению согласно

 

. (6.2)

 

Повторите это для положения потенциометра R17 равного 0 кОм (крайнее левое). Сравните полученные данные с расчетом согласно (6.3).

С помощью двухлучевого осциллографа изобразите в одном временном масштабе входную и выходную осциллограммы для частоты 1 кГц. Убедитесь, что инвертирующий усилитель инвертирует фазу сигнала.

3. Соберите схему неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100. Для этого потенциометр R17 следует установить в положение 51 кОм (крайнее правое). На вход схемы подают гармонический сигнал частотой 1 кГц и напряжением 40 мВ. Замерьте напряжение на выходе и рассчитайте коэффициент усиления по напряжению согласно (6.2). Повторите это для положения потенциометра R17 равного 0 кОм 0 кОм (крайнее левое). Сравните полученные данные с расчетом согласно (6.6).

С помощью двухлучевого осциллографа изобразите в одном временном масштабе входную и выходную осциллограммы для частоты 1 кГц. Убедитесь, что неинвертирующий усилитель не инвертирует фазу сигнала.

4. Измерить частоту единичного усиления, неинвертирующего операционного усилителя. Для чего снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) такого усилителя до появления спада на участке больших частот (до 1 МГц). На вход схемы нужно подавать гармонический сигнал амплитудой 40 мВ с последовательно изменяющейся частотой 50, 100, 500 Гц, 1 кГц, и т.д до 1 МГц. Для каждой частоты нужно замерить амплитуду выходного сигнала и рассчитать коэффициент усиления в дБ согласно (6.2). Результаты занесите в таблицу 6.1.

 

Таблица 6.1 - Амплитудно – частотная характеристика ОУ

Частота, Гц
UBX,, мВ
UBЫX,, В
КU, дБ

По данным табл.6.1 нужно построить график АЧХ и определить согласно рис.6.3 частоту единичного усиления F₁ и коэффициент усиления ОУ без обратной связи K₀. Для этого на экспериментально снятой АЧХ нужно выполнить интерполяцию АЧХ ОУ без обратной связи, считая, что ее наклон отвечает 20 дБ/.декаду, а частота первого полюса равняется 10 Гц (рис.6.3).

 

Контрольные вопросы

1. Какие предположения верны для идеального усилителя?

2. Начертите принципиальные схемы инвертирующего, неинвертирующего усилителя и повторителя напряжения.

3. Чем определяются коэффициенты усиления схемы инвертирующего, неинвертирующего усилителя?

4. Чем определяется входное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего усилителя?

5. Назовите и объясните основные параметры реального ОУ.

6. Объясните ход АЧХ ОУ без обратной связи.

7. Как изменяется полоса пропускания усилителя на базе ОУ при увеличении коэффициента усиления?

8. Что может вызывать “самовозбуждение” ОУ?

9. Что такое полоса пропускания операционного усилителя? От чего она зависит?

10. Чем отличается реальный операционный усилитель от идеального?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7