Свойства ОУ, охваченных обратной связью

Используются две основные схемы включения ОУ (см. рис. 3, а, б).

Рис. 3. Схемы включения ОУ с подачей входного сигнала

на неинвертирующий (а) и инвертирующий (б) входы

В общем случае элементы цепи О.С. Z₁ и Z₂ – комплексные сопротивления. Но чаще всего применяются активные сопротивления R₁ и R₂.

При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход ОУ, охваченного последовательной О.О.С. по напряжению с коэффициентом передачи цепи О.С λ = R₁/(R₁ + R₂) (рис. 3, а), коэффициент усиления по напряжению равен

При λ K_u > > 1 это выражение принимает вид

, (1)

то есть коэффициент усиления ОУ при глубокой О.О.С. определяется только сопротивлениями R₁ и R₂ и практически не зависит от колебаний коэффициента усиления ОУ K_u.

При данном виде О.О.С. входное сопротивление для дифференциального сигнала возрастает в 1 + λ K_u раз:

R_вх.ос = R_вх.оу (1 + λ K_u),

а выходное сопротивление уменьшается в 1 + λ K_u раз:

R_вых.ос = R_вых.оу /(1 + λ K_u).

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход ОУ (рис. 3, б) усилитель охвачен параллельной О.О.С. по напряжению. Пренебрегая входным током ОУ, считаем токи через сопротивления R₁ и R₂ равными. Кроме того, принимая потенциал инвертирующего входа равным нулю, можно записать:

U_вх/R₁ = – U_вых/R₂,

откуда коэффициент усиления по напряжению в этой схеме включения равен

. (2)

Таким образом, и в данной схеме при глубокой О.О.С. коэффициент усиления зависит только от соотношения между сопротивлениями R₁ и R₂. Это утверждение справедливо при условии

> > .

Так как потенциал инвертирующего входа близок к нулю ( виртуальный нуль ), входное сопротивление

R_вх.ос = R₁.

Программа исследований

Исследование операционного усилителя

Собрать схему для исследования характеристик и параметров интегрального ОУ, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Схема для исследования АЧХ операционного усилителя

Установить согласно табл. 1 модель ОУ (из библиотеки mcxxxx ).

Таблица 1

Вариант	Модель ОУ	K_u.oc	Вариант	Модель ОУ	K_u.oc
	МС 1437			МС 1537
	МС 1439			МС 1539
	МС 1445			МС 1536
	МС 1456			МС 1545
	МС 1456 С			МС 1556
	МС 1458			МС 1709
	МС 1458 С			МС 1741

Открыть с помощью кнопки Edit окно Properties (Свойства) и выписать для отчета основные параметры ОУ:

Open–loop gain (A) – Коэффициент усиления K_u_.оу при разомкнутой О.С.

Input Resistance (RI) – Входное сопротивление R_вх.оу.

Output Resistance (RO) – Выходное сопротивление R_вых.оу.

Positive voltage swing (VSW+) – Максимальное положительное напряжение U⁺_вых._max.

Negative voltage swing (VSW–) – Максимальное отрицательное напряжение U^–_вых._max.

Input offset voltage (VOS) – Напряжение смещения U_см.

Input bias current (IBS) – Входной ток I_вх.

Input offset current (IOS) – Разность входных токов ∆ I_вх.

Slew rate (SR) – Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_u_._max.

Unity–gain bandwidth (FU) – Частота единичного усиления f₁.

С помощью измерителя частотных характеристик (“плоттера Боде”) построить амплитудно-частотную характеристику ОУ без цепи обратной связи. На рис. 5 показан вид АЧХ в логарифмических масштабах по обеим осям, причем отсчет коэффициента усиления производится в децибелах. Нижний предел 0 дБ соответствует единичному усилению. Пределы по оси частот должны охватывать диапазон от плоского участка АЧХ в области низких частот до частоты единичного усиления.

Рис. 5. Логарифмическая АЧХ на экране плоттера Боде

Определить коэффициент усиления на низких частотах K_u_.оу, верхнюю частоту f_в, на которой усиление уменьшается в раз (на 3 дБ) по сравнению с низкими частотами, и частоту f₁ единичного усиления (т.е. 0 дБ).

Неинвертирующий усилитель

Собрать схему неинвертирующего усилителя напряжения с применением отрицательной обратной связи согласно рис. 6.

Рис. 6. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Рассчитать по формуле (1) элементы схемы, обеспечивающие заданный в табл. 1 коэффициент усиления. При выборе номиналов сопротивлений R₁ и R₂ придерживаться ограничений: 2 кОм < R< 200 кОм. Сопротивление R₃ служит для компенсации погрешности от входных токов ОУ и должно быть эквивалентным параллельному включению R₁ и R₂.

Подать на вход усилителя сигнал переменного тока, напряжение которого не перегружает усилитель. Частоту установить равной 1000 Гц. С помощью вольтметра, работающего в режиме переменного тока ( АС ), определить реальное значение коэффициента усиления K_u_._oc.

Построить на экране плоттера Боде логарифмическую АЧХ усилителя. Определить значение коэффициента усиления K_u_._oc на плоском участке АЧХ. Измерить верхнюю частоту усилителя f_в.ос.

3.Инвертирующий усилитель

Собрать схему инвертирующего усилителя согласно рис. 7.

Рис. 7. Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Рассчитать по формуле (2) элементы схемы, обеспечивающие заданный в табл. 1 коэффициент усиления при соблюдении ограничений п. 3.2. Вольтметр V1 работает в режиме постоянного тока ( DC ) и предназначен для измерения постоянной составляющей выходного напряжения, а вольтметр V2 – в режиме переменного тока ( AC ).

В отсутствие входного сигнала измерить с помощью вольтметра V1 постоянное напряжение на выходе ОУ, которое представляет собой погрешность усилителя.

Подать на вход усилителя сигнал переменного тока, напряжение которого не перегружает усилитель. Используя показания вольтметра V2, определить реальное значение коэффициента усиления K_u_._oc.

Построить на экране осциллографа диаграммы входного и выходного напряжений, подобрав подходящие масштабы по осям координат. На рис. 8 показаны осциллограммы сигналов в режиме открытого входа ( DC ) осциллографа по обоим каналам. Для получения качественного изображения диаграмм в меню

Analysis / Analysis Options... / Instruments

отключить “ Generate time steps automatically ” и установить в графе “ Minimum number of time points ” количество точек 1 000.

Рис. 8. Осциллограммы напряжений на входе и выходе усилителя

Обратить внимание на смещение выходного напряжения относительно нулевого уровня, что свидетельствует о наличии погрешности в виде постоянной составляющей.

4. Контрольные вопросы

1. Назовите ориентировочно пределы значений основных параметров интегральных ОУ.

2. Зачем во входном каскаде ОУ используют дифференциальный усилитель?

3. Для какой цели используется питание ОУ от двух разнополярных источников?

4. Чем определяются максимальные амплитуды выходного напряжения U⁺_вых._max и U^–_вых._max?

5. Чем ограничены допустимые диапазоны изменения входного дифференциального сигнала?

6. Какой вид имеет логарифмическая АЧХ стандартного ОУ?

7. Как входное напряжение смещения влияет на вид передаточной характеристики ОУ?

8. Как влияют значения входных токов I_вх.1 и I_вх.2 на выходное напряжение ОУ?

9. Что такое частота единичного усиления? Как, зная частоту единичного усиления и коэффициент усиления на низких частотах, определить полосу пропускания ОУ без цепи О.О.С?

10. Дайте определение “идеального” ОУ. Какие упрощения используются при расчете схем на “идеальном” ОУ?

11. Какие виды О.О.С. применяются в инвертирующем и неинвертирующем усилителе на основе ОУ?

12. Как необходимо рассчитывать элементы входных цепей ОУ с точки зрения компенсации погрешностей, обусловленных действием входных токов ОУ (I_вх и ∆ I_вх)?

13. Как рассчитать погрешность выходного напряжения, обусловленную влиянием U_см?

14. Как изменяется полоса пропускания усилителя на ОУ при использовании О.О.С.?

15. Как построить на ОУ суммирующий усилитель?

16. Как построить на ОУ дифференциальный усилитель?

Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

1) титульный лист;

2) наименование работы и цель исследований;

3) схемы для исследования ОУ и усилителей на основе ОУ;

4) справочные данные ОУ, логарифмическую АЧХ и результаты измерений параметров ОУ: K_u_.оу, f_в, f₁;

5) результаты расчета элементов неинвертирующего усилителя и измерения его параметров, а также логарифмическую АЧХ;

6) результаты расчета элементов инвертирующего усилителя и измерения его параметров, а также осциллограммы напряжений.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒