Цель работы:

Изучение принципа работы операционных усилителей и исследование характеристик устройств на их основе: инвертирующего усилителя, интегратора, дифференциатора и избирательного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ) – это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, OP275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

  Рисунок 1 - Функциональная схема типового ОУ

Рисунок 2 – Условное обозначение ОУ

Задание 1

Соберем схему для испытания усилителя на ОУ.

Рисунок 3 – Схема усилителя

Снимем и построим амплитудную характеристику ОУ uвых = f(uвх).

Таблица 1 – Величины uвх и uвых

Входное напряжение, uвх, мВ          Выходное напряжение, uвых, В

-300   -6,7

-250   -5,5

-200   -4,3

-150   -3,0

-100   -1,7

-50     -0,5

10      1,0

50      2,0

100    3,2

150    4,5

200    5,7

250    7,0

300    8,2

Рисунок 4 – Амплитудная характеристика uвых = f(uвх)

Напряжение смещения Uсм = -30 мВ.

С помощью осциллограмм при входном ступенчатом напряжении определим скорость нарастания v выходного напряжения и время установления tуст.

Рисунок 5 – Схема для снятия осциллограмм

Рисунок 6 – Осциллограмма

Скорость нарастания выходного напряжения определяется по формуле:

v = ∆uвых/∆t                                                         (1)

v = 0,61/(3-2) = 0,61 В/мкс

Время установления:

tуст = t0,9u – t0,1u                                                     (2)

tуст = 7,9 мкс

С помощью осциллографа XSC1 определим коэффициент усиления Ku.ос ОУ по переменному напряжению.

Разомкнем ключ В и замкнем ключ А (рис. 7).

Рисунок 7 – Схема определения коэффициента усиления

Рисунок 8 – Осциллограмма

Рисунок 9 – Плоттер при Ku = 0,707

Рисунок 10 – Плоттер при Ku = 1

Коэффициент усиления Ku.ос будет равен:

Ku.ос = - Um.вых/Um.вх                                                   (3)

Ku.ос =162/7 = 23

Верхняя граница полосы пропускания:

Ku/√2  = 23/1,41 = 16,3                                              (4)

fв = 125 кГц

Верхняя граничная частота:

f1 = 7 МГц

Исследуем влияние напряжений источников питания Е4 и Е5, сопротивления резистора Roc, сопротивления R3 нагрузки на коэффициент усиления напряжения и частотные свойства усилителя.

Таблица 2 – Результаты исследования

Е4 = 10 В                    R3 = 1кОм

          Rос = 0кОм          0,029В

          Rос = 250кОм      0,745В

          Rос = 500кОм      1,459В

Е4 = 12 В    R3 = 2кОм

          Rос = 0кОм          0,029В

          Rос = 250кОм      0,744В

          Rос = 500кОм      1,457В

Е4 = 15 В    R3 = 3кОм

          Rос = 0кОм          0,033В

          Rос = 250кОм      0,742В

          Rос = 500кОм      1,453В

Ряд1 --- Rос = 0кОм; Ряд2 --- Rос = 250кОм; Ряд3 --- Rос = 500кОм

Рисунок 11 – Диаграмма выходных напряжений

Можно видеть, что самое большое влияние на выходное напряжение оказывает величина сопротивления обратной связи Rос.

Задание 2

Соберем схему для испытания интегратора.

Рисунок 12 – Схема испытаний

Рисунок 13 – Осциллограмма

Для идеального интегратора:

Uвых= –Uвхtи/(R1Coc) =  –10 · 10–3 · 10–4/(104 · 10–9) = –0,01 В     (5)

По осциллограмме:

Uвых = -0,011 В

Подадим на вход дифференциатора симметричный треугольный сигнал с амплитудой U = 0,5 В и периодом Т = 5 мс. Снимем осциллограмму.

Рисунок 14 – Осциллограмма

Для идеального дифференциатора:

Uвых = –RocC1Uвх/tи = –105 · 2 · 10–9 · 1/25 · 10–4 = –80 мВ            (6)

По осциллограмме:

Uвых = –80 мВ

Подадим на вход избирательного RC-усилителя сформированный генератором синусоидальный сигнал.

Рисунок 15 – Схема снятия АЧХ усилителя

Рисунок 16 – Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На квазирезонансной частоте:

Ku.max = RocC1/[R1(C1 + Coc)]                                            (7)

Ku.max = 5 · 105 · 10–9/[104 · (10–9 + 10–9)] = 25

По показаниям плоттера:

Ku.max = 48

Полоса пропускания избирательного усилителя на уровне 0,707Кu.max будет составлять:

fп = 30,8-9,8 = 21 кГц

Выводы

Для идеального ОУ Ku = ∞; Rвх = ∞; Rвых = 0 и бесконечная полоса частот усиливаемого сигнала, поэтому без обратных связей ОУ не применяется.

На основе ОУ строят следующие функциональные узлы:

          повторитель, выходной сигнал которого практически равен входному;

          интегратор, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала;

          дифференциатор, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала;

          избирательный усилитель, усиливающий входной сигнал в узкой полосе частот;

          сумматор, выходное напряжение которого равно инвертированной сумме входных напряжений.

Проведенные испытания доказали эффективность ОУ в роли интегратора, дифференциатора и избирательного усилителя.

Список использованных источников

1. Марченко А. Л., Освальд С. В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim. Учебное пособие для вузов. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 448 с.: ил.

2. Multisim. Руководство пользователя. // пер. с англ. - National Instruments Corporation, 2007. – 491 с.

3. Ланских А. М. Электротехника  и электроника. – Киров: ПРИП ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2015. – 188 с.

4. Сайкин  К.С.  Тогулев  В.В.  Избирательные RC-усилители.  Методическая разработка к лабораторному практикуму. Казань. - 2016, - 32 с.

   * Среда NI Multisim 11.0.2.