200101_jeimpt_lr_2012

Входное сопротивление RВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и «землей»). Входное дифференциальное сопротивление для ОУ на основе биполярных транзисторов находится обычно в пределах 10 кОм…10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения UВХ.СФ к вызванному приращению среднего входного тока IВХ.СР:

R	ВХ .СФ	U ВХ .СФ .		(9.5)
			I ВХ .СР
Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между
входами ОУ и может быть определено по формуле:
RВХ . ДИФ			U ВХ ,	(9.6)
			I ВХ

где UВХ – изменение напряжения между входами ОУ, IВХ – изменение входного тока.

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

Рисунок 9.3 – Схема измерения дифференциального входного и выходного сопротивления ОУ

Скорость нарастания выходного напряжения VU.ВЫХ равна отно-

шению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нараста-

131

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

V		U ВЫХ	.	(9.7)
U .ВЫХ		tУСТ

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 коэффициентом усиления от 1 до 10.

9.4Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение входных токов ОУ

Создайте схему, изображенную на рис. 9.1. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток IВХ и разность IВХ входных токов ОУ. Использованные

132

расчетные формулы и полученные результаты занесите в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения ОУ

Создайте схему, изображенную на рис. 9.2. Включите схему. Запишите показания вольтметра в раздел «Содержание отчета». По результатам измерения, вычислите напряжение смещения UСМ используя коэффициент усиления схемы на ОУ. Расчетные соотношения и результаты вычислений также занесите в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ

а) Определение дифференциального входного сопротивления

Создайте схему, изображенную на рис. 9.3. Включите схему. Измерьте входной ток IВХ и выходное напряжение UВЫХ, запишите показания приборов в раздел «Содержание отчета». Переключите ключ S1 клавишей [Space] клавиатуры компьютера. Измерьте входной ток IВХ после переключения ключа S1.

Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислите дифференциальное входное сопротивление ОУ. Использованные расчетные формулы, полученные результаты измерений и расчетов занесите в раздел «Содержание отчета».

б) Определение выходного сопротивления

Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора RL до тех пор, пока выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения полученного в п. а). Запишите значение сопротивления RL, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению UВЫХ ОУ, в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

Создайте схему, изображенную на рис. 9.4. Включите схему. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения (рис. 9.5) в раздел «Содержание отчета». По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Запишите результаты измерений, расчетные соотношения и полученные результаты в раздел «Содержание отчета».

9.5 Содержание отчета

Эксперимент 1. Измерение входных токов ОУ

Ток неинвертирующего входа (измерение)	I1	= ____________
Ток инвертирующего входа (измерение)	I2	= ____________
133

Средний входной ток
(расчет по результатам измерений)	IВХ = ___________
Разность входных токов
(расчет по результатам измерений)	IВХ = __________
Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения ОУ
Выходное напряжение усилителя (измерение)	UВЫХ = _________
Коэффициент усиления схемы (расчет)	KU = ___________
Напряжение смещения
(расчет по результатам измерений)	UСМ = __________

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ

а) Определение дифференциального входного сопротивления

Входной ток до переключения ключа S1
(измерение)	IВХ = ___________
Выходное напряжение до переключения S1
(измерение)	UВЫХ = _________
Входной ток после переключения ключа S1
(измерение)	IВХ = ___________
Изменение входного напряжения
(расчет по результатам измерений)	UВХ = __________
Изменение входного тока
(расчет по результатам измерений)	IВХ = ___________
Входное дифференциальное сопротивление
(расчет по результатам измерений)	RВХ.ДИФ = ________

б) Определение выходного сопротивления

Выходное напряжение до переключения S1 при изменении сопротивления резистора RL (измерение)

Выходное сопротивление (измерение)

UВЫХ = __________

RВЫХ = __________

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

134

Рисунок 9.5 – Осциллограмма выходного напряжения схемы

Выходное напряжение (измерение)	UВЫХ = ___________
Время установления выходного напряжения
(измерение)	tУСТ = ____________
Скорость нарастания выходного напряжения
(расчет по результатам измерений)	VU.ВЫХ = _________

9.6 Вопросы для самопроверки

1.Отличается ли измеренное значение среднего входного тока IВХ от его номинального значения для ОУ LM741, взятого из паспортных данных?

2.Существенно ли отличие разности входных токов от номинального значения для ОУ LM741?

3.	Совпадают	ли измеренное значение напряжения смещения
с номинальным значением для ОУ LM741?
4.	Сравните	величину измеренного входного сопротивления

спаспортными данными на ОУ LM741.

5.Сравните величину измеренного выходного сопротивления

спаспортными данными на ОУ LM741.

6.Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи?

7.Отличается ли экспериментальное значение скорости нарастания выходного напряжения от номинального значения?

8.В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ?

Паспортные данные ОУ LM741:

–средний входной ток 0,08 мкА;

–разность входных токов 0,02 мкА;

–напряжение смещения 1 мВ;

–входное сопротивление 2 МОм;

135

–выходное сопротивление 75 Ом;

–скорость нарастания выходного напряжения 0,5 В/мкс.

Лабораторная работа № 10 Исследование неинвертирующего усилителя

10.1 Цель работы

1.Изучение схемы включения операционного усилителя (ОУ).

2.Измерение и расчет коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на основе ОУ.

3.Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

4.Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения.

10.2 Приборы и элементы

Осциллограф – группа Instruments Боде-плоттер – группа Instruments Функциональный генератор – группа Instruments

Операционный усилитель LM741 – группа Analog ICs Резисторы – группа Basic

10.3Краткие сведения из теории

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ, представленной на рис. 10.1, вычисляется в первом приближении по формуле:

KU 1	R2	.	(10.1)
	R1

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя UO.ВЫХ определяется произведением напряжения смещения UCM на коэффициент усиления схемы KU:

136

U0 ВЫХ UСМ KU .

(10.2)

10.4Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование работы неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Рисунок 10.1 – Схема исследования неинвертирующего усилителя на ОУ

Создайте схему, изображенную на рис. 10.1.

Установочные параметры приборов должны соответствовать изображению, представленному на рисунке.

Рассчитайте коэффициент усиления напряжения KU усилителя по

137

заданным значениям параметров компонентов схемы. Включите схему. Для установившегося режима измерьте амплитуды входного UBX и выходного UВЫХ синусоидальных напряжений, а также постоянную составляющую выходного напряжения UO.ВЫХ. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению KU исследуемой схемы.

Определите по фазочастотной характеристике (ФЧХ) разность фаз входного и выходного синусоидальных напряжений усилителя на частоте 1 кГц, для чего используйте Боде-плоттер в режиме «Phase». Определите по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) верхнюю граничную частоту усилителя. Для этого используйте Боде-плоттер в режиме «Magnitude».

Используя значение напряжения смещения UCM, вычисленное в лабораторной работе № 9, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, полученное в настоящей работе, определите постоянную составляющую выходного напряжения UO.ВЫХ.

Враздел «Содержание отчета» занесите результаты расчетов, измерений и расчетные формулы, приведите принципиальную схему исследуемого каскада с учетом стандартных обозначений без отображения используемых измерительных приборов, его АЧХ и ФЧХ с указанием характерных точек, полученных в результате выполненных измерений.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров элементов схемы на её характеристики

Всхеме, приведенной на рис. 10.1, уменьшите значение сопротивления R2 с 100 кОм до 10 кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Установите масштаб напряжения для канала «А» осциллографа 100 mV/div, а для канала «В» – 500 mV/div. Включите схему. Повторите все операции эксперимента 1 при

новых параметрах компонентов схемы. Результаты занесите в раздел «Содержание отчета».

Эксперимент 3. Измерение времени нарастания выходного напряжения неинвертирующего усилителя

Создайте схему, изображенную на рис. 10.2. Включите схему. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения в раздел «Содержание отчета». По осциллограмме определите величину выходного напряже-

138

ния, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Запишите результаты измерений, расчетов, и использованные формулы в раздел «Содержание отчета».

Рисунок 10.2 – Схема измерения времени нарастания усилителя

10.5Содержание отчета

Эксперимент 1. Исследование работы неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Рисунок 10.3 – Принципиальная схема исследуемого каскада

139

Коэффициент усиления схемы (расчет)				KU = __________
Амплитуда входного напряжения (измерение)				UВХ = _________
Амплитуда выходного напряжения (измерение)				UВЫХ = ________
Коэффициент усиления схемы (расчет
по результатам измерений)				KU = __________
Напряжение смещения (по результатам расчетов)				UСМ = _________
Постоянная составляющая выходного напряжения
(расчет)				UO.ВЫХ = _______
Постоянная составляющая выходного напряжения
(измерение)				UO.ВЫХ = _______
Разность фаз (измерение)				= ___________
Верхняя граничная частота усилителя (измерение)				fВЧ = __________
R1 = 1 кОм, R2 = 100 кОм			R1 = 1 кОм, R2 = 100 кОм

а)

б)

Рисунок 10.4 –АЧХ (а) и ФЧХ (б) неинвертирующего усилителя на ОУ

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров элементов схемы на её характеристики

Коэффициент усиления схемы по напряжению
(расчет)	KU = __________
Амплитуда входного напряжения (измерение)	UВХ = _________
Амплитуда выходного напряжения (измерение)	UВЫХ = ________
Коэффициент усиления схемы по напряжению
(расчет по результатам измерений)	KU = __________
Напряжение смещения (по результатам расчетов)	UСМ = _________
Постоянная составляющая выходного напряжения
(расчет)	U0ВЫХ = ________
Постоянная составляющая выходного напряжения
(измерение)	U0ВЫХ = ________
140