ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ (ОУ) НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ, ВНОСЯЩИЕ ОШИБКУ В ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

1. Цель работы

Исследование основных схем включения операционного усилителя (ОУ) на постоянном токе и токах низкой частоты и определение составляющих ошибки в выходном напряжении, обусловленных входными токами смещения и сдвига, а также входным напряжением сдвига.

Рекомендуемая литература [1 -6, 12, 13].

2.Общие сведения

ОУ имеет очень большой коэффициент усиления (К). Поэтому даже ма­лое дифференциальное входное напряжение легко вызывает смещение выходно­го напряжения к его предельному значению. Кроме того, коэффициент усиления ОУ имеет очень большой производственный разброс ( до 100%) и зависит от тем­пературы, напряжения питания и т.д. Для повышения стабильности коэффици­ента усиления К и обеспечения требуемой его величины применяются ОУ с внешними отрицательными обратными связями. В зависимости от способа по­дачи входного сигнала на такие схемы их подразделяют на инвертирующие, не­инвертирующие и дифференциальные.

Название «инвертирующий усилитель» говорит о том, что входной сиг­нал подается на инвертирующий вход ОУ, а неинвертирующий вход его зазем­лен. Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 2.1,а. Легко видеть, что эта схема с параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напря­жению.

Обычно глубина ОС берется большой. В этом случае можно приближен­но считать, что U_ВХ.Д^<< U_ВХ и U_ВХ.д ^<<Uвых, т.е. U_ВХ.Д пренебрежимо мало. По этой причине, а также вследствие высокого R_ВХ.Д входной ток ОУ тоже пренеб­режимо мал. Следовательно, величины токов I, протекающих через R1 и через резистор обратной связи Roc (см. рис. 2.1,а), одинаковы и могут быть выражены как через входное, так и через выходное напряжения

откуда коэффициент усиления с ОС

Рис. 2.1. Схемы инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилителей с ООС

Такой упрощенный подход к определению Кос оказался возможным бла­годаря глубокой обратной связи и большому К.

В неинвертирующем усилителе входной сигнал подается на неинверти­рующий вход ОУ (рис. 2.1,б), а напряжение ОС - по-прежнему на инвертирую­щий (через делитель Roc, R1 )• По тем же причинам, что и в инвертирующем усилителе, и_вх.д и 1_ВХ пренебрежимо малы. Поэтому через R1 и R_oc протекает ток I одной и той же величины, причем

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя с ОС

Схема дифференциального усилителя приведена на рис. 2.2.

Roc

Такой усилитель, как и дифференциальный каскад, обладает способно­стью вычитать входные напряжения U_BХ.1 и U_BХ.2, поданные на его входы относи­тельно земли. Иначе говоря, он усиливает напряжение, действующее между его входами Uвх.д = U_BХ.1 - U_BХ.2 и не реагирует на синфазную помеху.

Для нахождения U_Вых можно воспользоваться принципом суперпозиции. Если U_BХ.1 ⁼ 0, т.е. левый конец резистора R1 заземлен, то получается схема, по­добная показанной на рис. 2.1,б, т.е. неинвертирующий усилитель. Но напряже­ние Ubx.2 ^{на его} вход подается от источника не непосредственно, а через делите­ли R2, R3. Поэтому

Если теперь U_BХ.2 = 0, то Ubx.1будет передаваться так же, как и в инвертирующем усилителе:

Включение между неинвертирующим входом и землей сопротивления величи­ной R2 || R3 практически не влияет на коэффициент передачи, так как входной ток ОУ ничтожно мал и почти не создает на этих сопротивлениях падения на­пряжения. Полное входное напряжение от двух входов по принципу суперпози­ции (с неинвертирующего входа передача сопровождается изменением знака)

т.е. равно разности входных напряжений, создаваемых напряжениями, дейст­вующими на неинвертирующем и инвертирующем входах.

Чтобы Uвых было пропорционально разности входных напряжений нуж­но, чтобы коэффициент передачи усилителя для каждого из U_BХ.1 и U_BХ.2 был один и тот же:

или

откуда . При этом условии

т.е. пропорционально разности входных напряжений и не зависит от их абсо­лютной величины. Иначе говоря, такой усилитель не чувствителен к синфазному входному напряжению. Однако в реальном ОУ синфазный сигнал, к сожалению, все же проходит на выход, хотя и очень слабо.

3.Программа работы

3.1. Ознакомиться с лабораторным макетом 2 для исследования характери­стик ОУ на постоянном токе.

3.2. Исследовать схему включения ОУ в инвертирующем и неинверти­рующем режимах и влияние напряжения смещения на выходное напряжение (рис. 2.4):

а) рассчитать и проверить экспериментально коэффициент усиления Кос инвертирующего и неинвертирующего усилителя;

б) устранить влияние напряжения сдвига ОУ на U_Вых-

3.3 Исследовать схему инвертирующего ОУ с внешней цепью смещения и_Вых (рис. 2.5):

а) устранить влияние Ucm ОУ на U_Вых с помощью внешней цепи сме­щения;

б) рассчитать и измерить идеальный и фактический Кос усилителя.

3.4. Исследовать схему дифференциального усилителя (рис. 2.6):

а) построить передаточную характеристику схемы при подаче U_BX од­новременно на оба входа;

б) определить величину КООС в диапазоне U_BX = -2,0...2,5В;

в) рассчитать и измерить Кос усилителя по инвертирующему и неин­вертирующему входам.

3.5. Измерить и рассчитать токи смещения и сдвига ОУ (рис. 2.7).

4.Экспериментальные исследования

4.1. Ознакомиться с лабораторным стендом. Перед началом работы необходимо изучить паспортные данные ОУ К140УД7 и записать его основные параметры. Следует также ознакомиться с измерительными приборами, необходимыми для выполнения предусмотренных программой измерений, включить их и откалибровать (осциллограф С1-93, вольтметр В7-16А, генератор сигналов ГЗ-112).

4.2. Исследовать схему включения ОУ в инвертирующем и неинвертирующем режимах. Напряжение смещения и его влияние на Uвых ОУ.

4.2.1. Используя схему усилителя на ОУ (рис. 2.4), собрать схему, как по­казано на рис. 2.3.

Установить переключатель SA2 в положение 1. Подключить к выходу DA1 вольтметр В7-16А и параллельно к нему осциллограф С1-93. Измерить вольтметром Uвых и записать его величину.

Вычислить коэффициент усиления усилителя, используя соотношение

Вычислить напряжение смещения ОУ в схеме до его компенсации

R2 100к

Установить переключатель SA2 в замкнутое состояние. Вращая ручку по­тенциометра R5 и одновременно наблюдая изменения Uвых усилителя, добиться ситуации, когда Ubux=0. Проследить за изменением U_Вых при вращении ручки потенциометра в различных направлениях.

4.2.2. Измерить К_OC неинвертирующего усилителя:

а) закоротить инвертирующий вход XS1 схемы 1 макета (рис. 2.4) на об­щий провод:

6') отбалансировать усилитель (см. п. 4.1);

в) рассчитать Кос неинвертирующего усилителя, если переключатель SA1 будет в положении 1,2,3 и предсказать коэффициент усиления усилителя, когда SA4- в положении 4;

г) подать на вход XS2 схемы 1 макета ( рис. 2.4) постоянное напряжение 0,5 В и измерить U_Вых. Для всех положений выключателя SA2. Обратить внима­ние на полярность U_Вых. Провести подобные операции для U_BX= —0.5 В.

Рассчитать Кос по результатам экспериментальных измерений и сравнить его величину с рассчитанной;

д) подать на вход XS2 сигнал с генератора сигналов синусоидальной фор­мы. Параллельно генератору подключить вход осциллографа (канал 1). Устано­вить частоту сигнала 1 кГц напряжением (эффективное значение) 0,5 В. Пронаб­людать амплитуду и фазу сигнала одновременно на входе и выходе схемы для всех положений переключателя SA1, подключив к выходу усилителя осцилло­граф (канал 2). Провести подобные операции для U_BX=1 В. Объяснить искажение формы U_Вых при определенных Кос.

4.2.3. Исследовать повторитель напряжения на ОУ. Убрать закорачиваю­щую перемычку со входа XS1 схемы 1 макета (рис.2.4).Установить переключа­тель SA1 в положение 1.

Подать на вход XS2 схемы сигнал постоянного, а затем переменного на­пряжения с амплитудой менее 10 В. Измерить и записать значения входных на­пряжений. Как соотносится для двух видов сигналов (переменного и постоянно­го) отношение U_ВЫХ/U_BХ?

Установить переключатель SA1 в положение 2. Повторить п. 3.2. Изме­нится ли Кос схемы? Почему?

4.2.4. Исследовать инвертирующий усилитель на ОУ. Закоротить инвер­

тирующий вход XS2 схемы 1 макета (рис. 2.4) на общий провод. Подать входной сигнал на вход XS1. .

Выполнить все операции аналогично операциям для неинвертирующего усилителя. Провести сравнение результатов исследования этих двух видов вклю­чения ОУ.

4.2.5. Исследовать усилитель с дифференциальным входом. Использовать для проведения исследований схему, изображенную на рис. 2.5.

Рис. 2.4. Усилитель на ОУ (схема 1 макета)

Рис. 2.5. Усилитель с дифференциальным входом (схема 2 макета)

Рис. 2.6. Схема измерения идеального и фактического Кос (схема 3 макета)

Рис. 2.7. Схема измерения тока смещения и сдвига ОУ (схема 4 макета)

Подать на вход XS5 постоянное напряжение с генератора сигналов посто­янного напряжения, а на вход XS6 - переменное напряжение с генератора сигна­лов низкочастотного ГЗ-111.

Пронаблюдать Uвых усилителя при различных входных напряжениях. Проверить соответствие значения Uвых по формуле

Фазу и амплитуду Uвых сравнивать в процессе работы с U_BX, используя два кана­ла осциллографа С1-93. Измерение провести при различных положениях пере­ключателя SA5.

Повторить п. 4.2, подавая постоянное напряжение на вход XS6, а пере­менное - на вход XS5. Сравнить результаты п. 4.2.5.

Соединить входы XS5 и XS6 между собой и измерить при Uвx=0,5 В и Uвx=-0.5 В. Объяснить результаты, полученные при измерении. Рассчитать КООС.

Подать на вход сигнал с генератора сигналов синусоидальной формы час­тоты 40 Гц. Изменяя амплитуду U_Bx, проследить на двухлучевом осциллографе за изменением Uвых и U_BX. Объяснить результаты наблюдения.

4.2.6. Рассчитать и измерить идеальный и фактический К_ос усилителя. Исследовать внешнюю цепь компенсации напряжения сдвига ОУ.

Использовать для проведения исследований схему 3 макета (рис.2.6). Закоротить вход схемы XS8 на общий провод. Вращая ручку потенцио­метра R17, добиться Uвых=O. Проследить за изменением Uвых усилителя при вращении ручки потенциометра в различном направлении.

Измерить фактический Кос при переменном входном напряжении, ам­плитуда которого равна 10 мВ, а частота 40 Гц.

Рассчитать Кос для схемы, используя выражение

Где , .

Сравнить фактический Кос с идеальным. Как расчет согласуется с изме­нениями?

4.2.7.Измерить токи смещения и сдвига ОУ.

Использовать для проведения исследований схему 4 макета (рис.2.7).

Установить переключатель SA6 в положение 1 (SA6.1 и SA6.2 замкнуты). Вращая потенциометр R20, свести к нулю Uвых-

Перевести переключатель SA6 в положение 2 (SA6.1 разомкнут, SA6.2 замкнут). Измерить Uвых усилителя DA4 и рассчитать Iсм₁ (ток смещения ОУ по инверти­рующему входу)

­Перевести переключатель SA6 в положение 3 (SA6.1 замкнут, SA6.2 ра­зомкнут). Измерить Uвых и рассчитать Iсм₂ (ток смешения ОУ по инвертирую­щему входу);

Рассчитать Iсдв• Перевести SA6 в положение 4 (SA6.1 и SA6.2 разомкнуты). Из­мерить Uвых

R=R18=R19.

5.Оформление отчета и анализ полученных результатов

5.1.Согласно п. 4.1 дается краткое описание паспортных данных ОУ К140УД7 и схем его включения в лабораторном макете. Приводятся схемы макета, выпол­ненные согласно требованиям ГОСТа.

5.2.Выполняются расчеты, необходимые в разделе «Экспериментальные ис­следования», сравниваются результаты теоретических расчетов и эксперимен­тов.

5.3.Приводятся диаграммы входных и выходных сигналов с обязательным указанием их численных значений, как показано на рис. 2.8.

5.4.Анализируются полученные зависимости и даются критические оценка полученных результатов.

А)

Рис 2.8. Диаграммы входного (а) и выходного (б) сигналов

6.Контрольные вопросы

6.1.Назовите характеристики идеального ОУ.

6.2.Дайте определение напряжения смещения ОУ,

6.3.Назовите основную причину возникновения Uсм и Iсд на входе ОУ на биполярных транзисторах.

6.4.Объясните, почему повторитель напряжения является хорошим бу­ферным каскадом?

6.5.Укажите, что произойдет с Кос, Rbx.oc при увеличении петлевого ко­эффициента усиления.

6.6.Перечислите причины появления сдвига Uвых под действием Iсм .

6.7.Почему Кос идеального ОУ с замкнутой ОС полностью определяется цепью ОС?

6.8.Изложите кратко принцип действия схемы для измерения Icм, исполь­зуемой в лабораторной работе.

6.9.Дайте определение ООС.

6.10.Укажите, почему усиление синфазного сигнала нежелательно.

6.11.Назовите два основных фактора, приводящих к появлению темпера­турного дрейфа ОУ.

6.12.Каково главное преимущество ОУ со стабилизацией прерыванием?

Лабораторная работа №3

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 1107; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!