ФУУМЭ / 8201_lab2_
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
Кафедра РТЭ
отчет
по лабораторной работе №2
по дисциплине «Функциональные узлы и устройства микроэлектроники»
Тема: Исследование интегрального монолитного операционного усилителя
Студенты гр. 7201 |
|
Тихоласов А. К. |
|
|
Станчев Г. Д. |
|
|
Кушнерев А. А. |
Преподаватель |
|
Тупицын А. Д. |
Санкт-Петербург
2020
Цель: Ознакомление со схемотехническими и конструктивными особенностями интегрального монолитного операционного усилителя и определение его основных характеристик и параметров.
Описание исследуемой схемы:
Рис. 1. Электрическая принципиальная схема ОУ
В работе исследуется монолитный операционный усилитель К140УД1. Электрическая принципиальная схема ОУ приведена на рис. 2.2. Здесь ВДУ собран на транзисторах VT1 и VT2. Усиливаемые входные сигналы создают противофазные падения напряжений на резисторах R1 и R3. Каскад УН собран на эмиттерно-связанных VT4 и VT5. При этом в коллекторной цепи VT4 нагрузка отсутствует, и он оказывается включён по схеме эмиттерного повторителя. В цепи коллектора VT5 имеется нагрузка R8. При подаче входного напряжения на входы ОУ усиленное напряжение поступает с резистора R1 на базу VT5, изменяя ток его базы и, соответственно, коллектора. При этом усиленное напряжение с резистора R3, противофазное напряжению в базе VT5, поступая на базу VT4, изменяет его коллекторный ток на такую же величину, но в противофазе. Это приводит к тому, что его эмиттерный потенциал изменяется так же. При этом оказывается, что при попарной идентичности VT1 и VT2, VT4 и VT5 между базой и эмиттером VT5 приложено удвоенное изменение напряжением по сравнению с изменением напряжения на резисторе R3. Таким образом, падение напряжения на R8 представляет собой сумму усиленных напряжений на R1 и усиленное напряжение с R8 относительно общей точки схемы, мы осуществляем переход от дифференциального входа УН к несимметричному относительно общей точки выходу.
Транзисторы VT7 и VT8 обеспечивают сдвиг уровня напряжения в совокупности с R9, R10 и R12 и диодом VD1, защищающего от перегрузок цепь эмиттер-база VT7.
УМ построен на транзисторе VT9, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Сопротивление R12 обеспечивает небольшую положительную обратную связь, повышая общий коэффициент усиления.
ИНТ в виде «токового зеркала», собранный на VT3 и VT6, служит для
стабилизации работы ОУ. Сопротивления R2 и R7 в эмиттерных цепях VT3 и
VT6 обеспечивают необходимые значения стабильных токов транзисторов
ВДУ и УН.
Выводы «Коррекция» используются для подключения внешних коррек-
тирующих цепей.
Параметры ОУ К140УД9:
Uкбо(и) = 10 В |
- Максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-база |
|||||||||||
Uкэо(и) = 10 В |
- Максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер |
|||||||||||
Iкmax(и) = 50 мА |
- Максимально допустимый импульсный ток коллектора |
|||||||||||
Pкmax(т) = 0,15 Вт |
- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом |
|||||||||||
h21э = 20-300 |
- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером |
|||||||||||
Iкбо < 0.5 мкА |
- Обратный ток коллектора |
|||||||||||
fгр > 800 МГц |
- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
Таблица 1. Амплитудные характеристики для 100 Гц |
|||||||||||
|
Uвх, В |
0,01 |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,25 |
0,3 |
0,35 |
0,4 |
|
|
|
Uвых, В |
0,40062 |
1,615 |
3,134 |
4,652 |
6,161 |
7,247 |
7,246 |
7,246 |
7,246 |
|
|
|
К(ус) |
40,062 |
32,3 |
31,34 |
31,0133 |
30,805 |
28,988 |
24,1533 |
20,7028 |
18,115 |
|
Таблица 2. Амплитудные характеристики для 1 кГц
Uвх, В |
0,01 |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
1 |
Uвых, В |
0,295 |
1,477 |
2,959 |
4,43 |
5,9 |
6,97 |
6,97 |
6,97 |
7,17 |
К(ус) |
29,5 |
29,54 |
29,59 |
29,533 |
29,5 |
23,233 |
17,425 |
13,94 |
7,17 |
Таблица 3. Амплитудные характеристики для 100 кГц
Uвх, В |
0,005 |
0,01 |
0,015 |
0,02 |
0,025 |
0,035 |
0,045 |
0,06 |
0,07 |
Uвых, В |
0,2565 |
0,4165 |
0,5734 |
0,7388 |
0,9262 |
1,163 |
1,252 |
1,269 |
1,267 |
К(ус) |
51,3 |
41,65 |
38,226 |
36,94 |
37,048 |
33,228 |
27,822 |
21,15 |
18,1 |
Таблица 4. Амплитудные характеристики для 400 кГц
Uвх, В |
0,005 |
0,01 |
0,015 |
0,02 |
0,025 |
0,035 |
0,04 |
0,045 |
0,05 |
Uвых, В |
0,242 |
0,3867 |
0,5341 |
0,6137 |
0,64707 |
0,6535 |
0,6387 |
0,6412 |
0,6262 |
К(ус) |
48,4 |
38,67 |
35,60667 |
30,685 |
25,8828 |
18,67143 |
15,9675 |
14,24889 |
12,524 |
Таблица 5. Полученные данные моделирования (400 кГц и Uвх=0,01 В)
R, Ом |
5200 |
2300 |
1200 |
Uвых, В |
0,379857 |
0,374113 |
0,359917 |
Iвых, А |
7,30494E-05 |
0,000163 |
0,0003 |
Rвых, Ом |
64,10113122 |
103,4144 |
|
Таблица 6. Полученные данные моделирования (400 кГц и Uвх=0,06 В)
R, Ом |
5200 |
2300 |
1200 |
Uвых, В |
0,61017 |
0,569073 |
0,504313 |
Iвых, А |
0,00011734 |
0,000247 |
0,00042 |
Rвых, Ом |
315,9298892 |
374,6866 |
|
Таблица 7. Полученные данные моделирования (1 кГц и Uвх=0,15 В)
R, Ом |
5200 |
2300 |
1200 |
Uвых, В |
4,498 |
4,511 |
4,476 |
Iвых, А |
0,000865 |
0,001961 |
0,00373 |
Rвых, Ом |
11,85802102 |
19,78859 |
|
Таблица 8. Полученные данные моделирования (1 кГц и Uвх=0,5 В)
R, Ом |
5200 |
2300 |
1200 |
Uвых, В |
7,254 |
6,673 |
5,894 |
Iвых, А |
0,001395 |
0,002901 |
0,004912 |
Rвых, Ом |
385,712224 |
387,4923 |
|
Таблица 9. Полученные данные моделирования (1кГц)
Uвх, В |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,8 |
1 |
1,2 |
1,5 |
2 |
3 |
Uвых, В |
0,6503 |
1,79 |
2,942 |
4,631 |
5,771 |
6,942 |
8,65 |
10,213 |
10,209 |
К(ус) |
6,503 |
5,966667 |
5,884 |
5,78875 |
5,771 |
5,785 |
5,766667 |
5,1065 |
3,403 |
Обработка результатов:
Построим амплитудные характеристики усилителя:
Рис. 2. Амплитудная характеристика для f=100 Гц
Рис. 3. Амплитудная характеристика для f=1 кГц
Рис. 4. Амплитудная характеристика для f=100 кГц
Рис. 5. Амплитудная характеристика для f=400 кГц
Рис 6. Зависимость коэффициента усиления от входного напряжения для
f=100 Гц
Рис 7. Зависимость коэффициента усиления от входного напряжения для
f=1 кГц
Рис 8. Зависимость коэффициента усиления от входного напряжения для
f=100 кГц
Рис 9. Зависимость коэффициента усиления от входного напряжения для f=400 кГц
Определение выходного сопротивления усилителя по нагрузочным характеристикам:
Исследуем влияние асимметрии питания на параметры ОУ:
Рис. 10. Амплитудная характеристика на частоте 1 кГц
Рис. 11. Зависимость коэффициента усиления на частоте 1 кГц
Вывод:
В данной работе был исследован операционный усилитель К140УД1. Были произведены расчёты выходных характеристик при различных режимах согласования питающих напряжений. Опытным путём было установлено, что в режиме согласования выходное сопротивление меньше, по сравнению со вторым режимом, полученные результаты полностью подтверждают теорию. Также были рассчитаны выходные сопротивления и исследовано влияние асимметрии питания на параметры операционного усилителя.