Параметры операционных усилителей 140УД7 и 140УД8

Параметр	Размер-ность	Обозначение	УД7	УД8
Напряжение питания	В
Ток питания при холостом ходе			2,8
Дифференциальный коэффициент усиления	-
Напряжение смещения нуля
Максимальное выходное напряжение (при Еп=15 В)
Входной ток смещения				0.2
Разность входных токов смещения				0.1
Входное сопротивление операционного усилителя
Выходное сопротивление операционного усилителя
Частота единичного усиления				0.8
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Дрейф напряжения смещения нуля
Дрейф входного тока смещения				0.1
Дрейф разности входных токов смещения			0.4	0.1
Дрейф коэффициента усиления			0.03	0.03
Дрейф коэффициента ослабления синфазного сигнала			0.03	0.03
Дрейф входного сопротивления			0.02	0.02
Коэффициент влияния изменения напряжения питания
Максимально допустимое синфазное напряжение
Максимально допустимое дифференциальное напряжение
Минимальное сопротивление нагрузки

 

 

Лабораторная работа №205

Усилители постоянного и переменного тока

На основе операционного усилителя

Виртуальный эксперимент

 

Цель работы: Освоить методику расчета и экспериментального определения основных параметров усилителей постоянного и переменного тока. Освоить построение моделей усилителей и их исследование с помощью программы Electronics Workbench.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с параметрами операционных усилителей К140УД7 и К140УД8.

2. Рассчитать на основе одного из них инвертирующий усилитель постоянного тока по исходным данным, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Вариант
Тип ОУ	УД7	УД8	УД7	УД8	УД7	УД8
,Гц
,кОм			0.5	0.25

 

При расчете схемы усилителя постоянного тока (рис.1) следует рассчитать и выбрать элементы схемы, а также определить величины, характеризующие свойство усилителей , , .

Расчет схемы инвертирующего усилителя начинается с выбора резистора , который определяет входное сопротивление усилителя , поэтому его следует выбирать больше, чем сопротивление источника входного сигнала (). Обычно рассчитывается таким образом, чтобы падение напряжения на нём от входного тока смещения ОУ было меньше напряжения смещения нуля ОУ

.

По заданному коэффициенту усиления с обратной связью рассчитывается и

,

и подбираются их номинальные значения, исходя из ряда Е24.

Если , то следует выбирать его равным 910 кОм и рассчитать по заданному коэффициенту усиления.

После расчета и выбора элементов схемы определим входное и выходное сопротивления усилителя с обратной связью

,

,

где - коэффициент обратной связи ;

- коэффициент усиления ОУ.

Частота верхнего среза определяется выражением:

.

3. Создать модель рассчитанного усилителя на РС с помощью программы Electronics Workbench (EWB) (рис.1).

Рассчитанная схема создаётся на рабочем поле EWB путем выбора элементов из библиотеки программы и их размещения и соединения в соответствии с принципиальной схемой. Для задания значения сопротивления резистора следует щелкнуть левой клавишей мышки два раза, и в открывшемся меню установить выбранные значения. Аналогично выбирается тип ОУ. В библиотеке элементов следует найти серию OURU, где представлены отечественные ОУ.

Рис.1. Усилитель постоянного тока

 

 

4. Исследовать модель усилителя постоянного тока. Снять амплитудную, амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Определить верхнюю частоту среза и фазовый сдвиг на этой частоте ().

Прежде, чем приступить к исследованию схемы, следует провести балансировку ОУ. Последовательно с резистором включить источник постоянного напряжения и установить значение напряжения, равное напряжению смещения для данного типа ОУ (см. Приложение). Проверить правильность балансировки. Установить напряжение и измерить с помощью мультиметра напряжение ; оно должно быть близко к нулю.

Для снятия амплитудной характеристики к входу усилителя подсоединить генератор переменного напряжения из меню Sources, щелкнуть левой клавишей мышки два раза и установить частоту 1 кГц и напряжение 10 мВ. На выход подключить мультиметр из меню контрольно - измерительных приборов Instruments и выбрать соответствующий режим работы. На вход и выход подключить двухлучевой осциллограф, причем, желательно подсоединение проводить цветными проводниками, т.к. цвет проводника определяет цвет осциллограммы. Чтобы задать цвет нужно щелкнуть левой клавишей мышки два раза по соединяющему проводнику и выбрать желаемый.

Запуск схемы производиться кнопкой в правом верхнем углу экрана.

Запустить осциллограф, щелкнув по его изображению левой кнопкой мыши два раза. Для удобства наблюдений настройте развертку по оси «Х» «Time base» и масштабы по оси «Y» каналов А (левый вход), В (правый вход). Остановить перемещение осциллограммы по экрану можно, включив «Pause». Зарисуйте полученную осциллограмму.

Задаваясь рядом значений переменного напряжения , в соответствии с таблицей 2, измерить напряжение на выходе ОУ. По полученным данным построить амплитудную характеристику усилителя. В процессе измерения наблюдать форму выходного сигнала. Отметить при каком напряжении наблюдается искажения формы сигнала. Объяснить наличие искажений. Построить амплитудную характеристику усилителя.

Таблица 2

,мВ
,мВ

 

Для построения амплитудно-частотной и фазовой характеристик воспользуемся аналитическими возможностями EWB. Входной сигнал следует установить 10 мВ. В меню Circuit выбрать Schematic Option и включить Show nodes и Show reference ID. На схеме появятся номера узлов и номера элементов. Запомните номер узла, соответствующий выходу усилителя. В меню включить кнопку Analysis, а в выпадающем меню выбрать расчет частотных характеристик AC Frequency. Выставить условия расчета: начальную частоту FSTART=1Гц; конечную частоту FSTOP=1 МГц; тип масштаба частоты Sweep type «Decade»; число точек Number of points –100; тип вертикальной шкалы Vertical scale –«Linear»; номер узла, для которого рассчитываются частотные характеристики Nodes for analysis, выбирается из списка номеров узлов цепи Nodes in circuit. Выбрать следует номер узла, соответствующий выходу усилителя. Запустите процесс расчета частотных характеристик кнопкой «Simulate». Полученное изображение увеличьте на весь экран.

На АЧХ и ФЧХ установите сетку Toggle Grid и маркеры Toggle Cursors. При включении маркера появляется таблица, показывающая координаты пересечения линии 1 и 2 маркеров с характеристикой, а также разность координат. По АЧХ определите частоту верхнего среза усилителя для этого найдите и перемещайте один из них до тех пор, пока координата Y не станет равна . Найдите соответствующую этому значению частоту по оси Х; на этой же частоте определите фазовый сдвиг ().

 

5. Исследовать влияние резистора на амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Определить верхнюю частоту среза для различных коэффициентов усиления с обратной связью . Необходимо учесть, что программа нумерует элементы в порядке их появления на рабочем поле.

Вызвать меню Analysis и команду Parameter sweep, установить component Rх (х-номер резистора, соответствующий функциональному назначению резистора ), start value – = end – =4 , Sweep type – Linear, Increment step size – = , Output – номер узла на выходе усилителя), Sweep for: AC Frequency Analysis set up AC options (1 Hz, 10 MHz, decade, 100, lin).

Найти для трех случаев: =2 ; =3 и =4 , а так же соответствующие им частоты среза . Определите произведение для трех случаев, сделайте вывод о влиянии на полосу пропускания усилителя.

 

6. Рассчитать емкость конденсатора в схеме усилителя с емкостной связью (рис.2). Создать модель усилителя с емкостной связью и снять амплитудную, амплитудно-частотную и фазовые характеристики усилителя переменного напряжения. Определить нижнюю частоту среза , верхнюю частоту среза и соответствующие им фазовые сдвиги () и ().

Рис.2. Схема усилителя с емкостной связью

 

Емкость разделительного конденсатора определяется из выражения

.

Конденсатор выбирается из группы пассивных элементов, устанавливается непосредственно на линию и автоматически включается в цепь. Далее следует выбрать номинальное значение емкости конденсатора и установить его. Резистор для устранения влияния одинаковых токов смещения выбирается равным .

Амплитудно-частотная и фазовые характеристики строятся также, как в пункте 4.

По построенным характеристикам найти значения нижней и верхней частот среза как частот на которых коэффициент усиления уменьшается в раз от своего максимального значения.

7. Исследовать влияние конденсатора на вид амплитудно-частотной и фазовой характеристик. Определить для различных значений емкости конденсатора . Сделать выводы.

Вызвать меню Analysis и команду Parameter sweep, установить component , start value – /4, end – , Sweep type – Linear, Increment step size – /4, Output – (номер узла на выходе усилителя), Sweep for: AC Frequency Analysis, set up AC options (1 Hz, 10 MHz, decade, 100, lin), где - значение емкости конденсатора, установленного в схеме. Найти для двух случаев = /4 и = /2. Сделать вывод о влиянии на частотные свойства усилителя.

 

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

§ результаты расчетов,

§ амплитудную, амплитудно-частотные и фазовые характеристики,

§ схемы экспериментов,

§ результаты анализа и выводы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Расскажите порядок расчета элементов инвертирующего усилителя на базе ОУ.

2. Укажите причины расхождения результатов расчета и эксперимента.

3. Как изменится верхняя частота среза при изменении глубины обратной связи?

4. Сделайте вывод выражения для коэффициента усиления с обратной связью .

5. Объясните изменение полосы пропускания усилителя с емкостной связью при различных значениях ёмкости конденсатора С1.

Какие изменения в схеме следует сделать, чтобы расширить полосу пропускания без изменения :

- в область высоких частот,

- в область низких частот.

 

 

Физический эксперимент

 

Цель работы: Освоить методику расчета и экспериментального определения основных параметров усилителей постоянного и переменного тока.

 

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с параметрами операционных усилителей К140УД7 и К140УД8 (табл.3).

2. Рассчитать инвертирующий усилитель постоянного тока по исходным данным, приведенным в таблице 3.

Таблица 3

Вариант
Тип ОУ	УД7	УД8	УД7	УД8	УД7	УД8
,Гц
,кОМ			0.5	0.25

 

 

При расчете схемы усилителя постоянного тока (рис.1) следует рассчитать и выбрать элементы схемы, а также определить, величины характеризующие свойство усилителей , , .

Расчет схемы инвертирующего усилителя начинается с выбора резистора ,

который определяет входное сопротивление усилителя , поэтому его следует выбирать больше, чем сопротивление источника входного сигнала (). Обычно рассчитывается таким образом, чтобы падение напряжения на нём от входного тока смещения ОУ было меньше напряжения смещения нуля ОУ

.

По заданному коэффициенту усиления с обратной связью рассчитывается и

,

,

и выбираются их номинальные значения, исходя из ряда элементов, расположенных на рабочем поле макета.

После расчета и выбора элементов схемы определим входное и выходное сопротивления усилителя с обратной связью

,

,

где - коэффициент обратной связи;

- коэффициент усиления ОУ.

Частота верхнего среза определяется выражением:

,

где - частота единичного усиления.

Параметры операционного усилителя приведены в таблице …

3. Собрать схему рассчитанного усилителя (рис.3) на макете.

Рис.3. Усилитель постоянного тока

 

Рассчитанная схема создаётся на рабочем поле макета путем выбора элементов и их соединения в соответствии с принципиальной схемой. Соединение производится с помощью специальных проводников.

Балансировка ОУ представляет собой операцию по компенсации напряжения смещения в ОУ. Балансировка производится с помощью потенциометра R4, начало и конец которого подключены на входы R ОУ, а средний вывод – на отрицательный полюс источник питания -Uп. Для балансировки входы ОУ заземляются, и с помощью потенциометра R4 устанавливается напряжение U_вых=0. Балансировка позволяет компенсировать напряжение смещения в данный момент при действующих дестабилизирующих факторах.

Переменный резистор служит для коррекции нуля операционного усилителя, его сопротивление равно 10 кОМ; он включается в соответствии со схемой (рис. 4).

Рис.4. Схема коррекции нуля ОУ

 

4. Исследовать усилитель постоянного тока, сняв амплитудную, амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Определить верхнюю частоту среза и фазовый сдвиг на этой частоте ().

Для исследования усилителя постоянного тока собирается схема (рис.5).

Рис.5. Схема для исследования усилителя постоянного тока

 

В этой схеме Ег - генератор низкочастотный Г3-36А, V1 – милливольтметр В3-38, V2 – вольтметр универсальный В7-28, Y – вход осциллографа.

Перед экспериментом необходимо произвести коррекцию нуля операционного усилителя, Для этого установить Ег=0, переключить V2 в режим измерения постоянного напряжения, и вращая ручку потенциометра R4 (рис.3), установить напряжение на выходе U2=0.

При снятии амплитудной характеристики к входу усилителя подсоединить генератор Г3-36А, и установить частоту 1 кГц и напряжение 10 мВ. На выход подключить мультиметр В7-28 и выбрать соответствующий режим работы. Задаваясь рядом значений напряжения , в соответствии с таблицей 2, измерить напряжение на выходе ОУ. По полученным данным построить амплитудную характеристику усилителя. В процессе измерения наблюдать форму выходного сигнала. Отметить, при каком напряжении наблюдается искажения формы сигнала. Объяснить наличие искажений.

Таблица 4

,мВ
,мВ

 

Для снятия амплитудно-частотной и фазовой характеристик усилителя в схеме (рис. 5) на вход Х осциллографа подключить напряжение U2, на вход Y напряжение U1. Задать генератором входное напряжение U1= 10 мВ и контролировать его постоянство по вольтметру V1. Напряжение на выходе U2 измерять вольтметром В7-26 в режиме измерения переменного напряжения. Установить частоту генератора 1 кГц, настроить осциллограф, получив на экране наклонную прямую. Задавая ряд значений частоты генератора, в соответствии с таблицей 3, измерять напряжение U 2 и размеры эллипса «а» и «А» (рис. 6). Данные измерений занести в таблицу 4.

Рис.6. К определению фазового сдвига φ в усилителе

Рассчитать для заданных частот Кос =U2/U1 и угол сдвига фазы между входным U1 и выходным U2 напряжениями φ =arcsin a/A, данные занести в таблицу 3.

Таблица 4

f, Гц	U2, B	а, мм	A, мм	Ko c	φ, град	Ко с, dB

По результатам расчета построить амплитудно-частотную и фазовую характеристики УПТ, определить верхнюю частоту среза и фазовый сдвиг на частоте верхнего среза . Следует вспомнить, что на частоте среза коэффициент усиления уменьшается в раз от своего максимального значения. Поэтому на АЧХ проводят линию, параллельную оси частот смещенную от максимального значения и находят абсциссу точки пересечения этой линии с ЛАЧХ, как показано на рис. 6. По найденной частоте среза определить фазовый сдвиг .

Рис. 6. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики УПТ

5. Рассчитать емкость конденсатора в схеме усилителя с емкостной связью (рис.7).

 

Рис.7.Усилитель с емкостной связью

 

Емкость разделительного конденсатора определяется из выражения

.

6. Собрать схему усилителя с емкостной связью и снять амплитудно-частотную и фазовые характеристики усилителя переменного напряжения. Определить нижнюю частоту среза и верхнюю частоту среза и соответствующие им фазовые сдвиги (), ().

Конденсатор выбирается из группы пассивных элементов на рабочем поле макета, большим или равным рассчитанному, и включается последовательно с резистором .

Амплитудно-частотная и фазовые характеристики строятся также, как в пункте 4 (рис. 8). По построенным характеристикам графически находим частоты среза и сравниваем их с заданными.

 

Рис.8. Амплитудно-частотная и фазовые характеристики

усилителя с емкостной связью

 

 

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

· принципиальные схемы исследуемых устройств;

· передаточную, амплитудно-частотные и фазовые характеристики усилителя;

· данные расчетов;

· выводы.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните порядок расчета элементов инвертирующего усилителя на базе ОУ.

2. Укажите причины расхождения результатов расчета и эксперимента.

3. Как изменится верхняя частота среза при изменении глубины обратной связи?

4. Сделайте вывод выражения для коэффициента усиления с обратной связью .

5. Объясните изменение полосы пропускания усилителя с емкостной связью при различных значениях ёмкости конденсатора С1.

Какие изменения в схеме следует сделать, чтобы расширить полосу пропускания без изменения :

- в область высоких частот,

- в область низких частот.