Исследование характеристик операционного усилителя

1. Цель работы – экспериментальное получение амплитудной характеристики операционного усилителя и определение на её основе коэффициента усиления микросхемы, на которой построен исследуемый ОУ.

2. Предварительные замечания. Коэффициент усиления по напряжению А микросхем (МС), используемых для построения операционных усилителей (ОУ), является одним из основных параметров этих устройств. Параметр этот обычно указывается в справочниках, однако, реальное его значение для конкретного экземпляра МС может значительно отличаться от справочных данных. При необходимости получения более точного значения этого параметра можно прибегнуть к эксперименту и определить его в итоге снятия амплитудной характеристики микросхемы операционного усилителя.

Здесь следует заметить, что такое экспериментальное исследование микросхемы оказывается затруднительным – из-за большого коэффициента усиления А (он может достигать нескольких сотен тысяч) усилитель теряет устойчивость работы и результаты измерения при этом оказываются неоднозначными, теряется их достоверность. Существенное искажение результатов измерений вызывает и измерительный прибор, подключённый непосредственно ко входу схемы для определения уровня входного сигнала.

С учётом указанных особенностей усилителя в данной лабораторной работе предлагается исследовать не микросхему ОУ непосредственно, а подвергнуть испытаниям операционный усилитель, построенный на основе исследуемой микросхемы: ввести в действие отрицательную обратную связь, обеспечивающую устойчивость работы усилителя. При этом оказывается возможным получение амплитудной характеристики ОУ, а на её основе – определение значения коэффициента усиления А расчётным путём.

3. Экспериментальная схема Работа выполняется на специализированном стенде, на котором установлена исследуемая микросхема ОУ (К140УД7) Имеется также ряд цепей из резисторов и конденсаторов для организации внешних цепей усилителя. Питается схема двухполярным источником питания (Е1=+15в, Е2=-15в). На схеме имеется три регулируемых в пределах +/-10В источника напряжения. Один из них (средний) используется для формирования напряжения на входе усилителя.

При выполнении работы на стенде воспроизводится схема,показанная на рис.1

На схеме Rд1 и Rд2- резисторы, организующие входную цепь усилителя. Схема позволяет определять напряжение на входе усилителя Uвх через измерение напряжения на входе делителя и исключить этим влияние измерительного прибора на параметры усиливаемого сигнала. При указанных номиналах резисторов делителя коэффициент деления Кд=Rд2/(Rд1+Rд2)= 1*10^-3, из чего следует, что напряжение Uвх, выраженное в милливольтах, численно равно измеренному в вольтах Uвх^*.

На схеме R_oc = 200 ком (два последовательно соединенных резистора по 100 ком) и R_о = 100 ом – цепь, организующая отрицательную обратную связь. Коэффициентами обратной связи β при указанных номиналах резисторов составляет: β = Ro/(Rос+Ro) = 0,5*10^-3.

4. Эксперимент. В прцессе испытаний усилителя следует получить данные для построения его амплитудной характеристики. При этом необходимо, изменяя входное напряжение, записать значения Uвых для установленных уровней напряжений Uвх. Примерный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рис. 2

Проводя испытания, необходимо получить 4-5 парных значений Uвых – Uвх для построения линейного участка характеристики и 3-4 значения для участков, где характеристика переходит в область насыщения. По завершении эксперимента измерить напряжения источников питания Е1 и Е2.

5. Обработка результатов эксперимента.

По результатам эксперимента построить график амплитудной характеристики усилителя. Экспериментальные точки, соответствующие линейному участку характеристики аппроксимировать прямой.

5.2 По экспериментальным точкам, лежащим на аппроксимирующей прямой определить коэффициент усиления усилителя: К=∆Uвых/∆Uвх (здесь ∆Uвых – приращение выходного сигнала, а ∆Uвх- приращение входа, вызвавшего изменение выхода).

5.3 Рассчитать коэффициент усиления микросхемы,пользуясь зависимостью:

A = К/(1-βК).

5.4 По данным графика амплитудной характеристики определить коэффициент линейности характеристики Кл = Uвых max(л)/Е1 и коэффициент насыщения характеристики Kн = Uвых max(н)/Е1. Здесь Uвых max(л) – максимальное значение линейного участка характеристики, а Uвых max(н) – максимальное значение Uвых на участке насыщения характеристики.

6. Отчёт по итогам испытаний

Отчёт должен содержать:

- схему эксперимента,

- таблицу с данными испытаний,

- график амплитудной характеристики,

-результаты расчётов К, A, а также Кл и Кн.