лаба4 (Выполненные лабораторные работы)

Министерство образования Российской Федерации

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

Лабораторная работа №4.

Усилительные каскады на ОУ.

Выполнил:

студент группы

БМТ1-51

Подпись:___________

Проверил:

преподаватель кафедры РЛ-1

Созинов Б.Л.

Подпись:_____________

Москва 2006 г.

Цель работы: изучение работы усилительного каскада на ОУ, определение его параметров и характеристик.

Задача работы: получить амплитудные (АХ) и логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) усилительного каскада на ОУ.

По результатам измерений построить для всех вариантов ЛАЧХ исследуемого усилительного каскада, на которых указать верхние и нижние граничные частоты полосы усиления. На этом же графике укажите расчетные величины граничных частот.

Часть 1.

Принципиальная схема исследуемого усилительного каскада, и номиналы элементов, входящих в него.

На базе операционных усилителей (ОУ) можно получить инвертирующий и неинвертируюший усилительные каскада, схемы которых представлены на Рис. 1.

В обеих схемах ОУ охвачен цепью (R1-R2) отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению: на инвертирующий вход ОУ возвращается часть (падение напряжения на R1) выходного напряжения Uвых.

В случае инвертирующего усилительного каскада (Рис. 1а) входное напряжение Uвх и напряжение ООС суммируются на инвертирующем входе ОУ с помощью резистивного делителя R1-R2, а поэтому ООС является параллельной.

В неинвертирующем усилительном каскаде (рис. 1б) используется последовательная ООС, так как дифференциальное входное напряжение Uвх.диф. ОУ образуется как разность между входным напряжением Uвх и напряжением обратной связи.

Рис. 1. Схема инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилительного каскада на ОУ.

Парметры макета:

Примечание: возможные отклонения от номинала сопротивлений - ±10%

емкостей ±20%

Паспортные данные ОУ марки 140УД7

Диапазон напряжений питания

Номинальное напряжение питания

Ток потребления

Коэффициент усиления

Входной ток смещения

Разность входных токов смещения

Дифференциальное входное сопротивление

Входное сопротивление

Максимальное выходное напряжение

Частота единичного усиления

Скорость нарастания выходного напряжения

Частотная коррекция

Выходной каскад

При проведении экспериментальных исследований используются следующие измерительные приборы:

С1-83 двухканальный осциллограф, позволяющий одновременно регистрировать входное и выходное напряжении усилительного каскада в диапазоне частот 0…10 МГц;

В3-38 милливольтметр переменного напряжения, регистрирующий эффективное (действующее) значение напряжения в абсолютных единицах (линейная шкала) или децибелах (логарифмическая шкала) в пределах 1 мВ…300 В в диапазоне частот 20 Гц…5 Мгц, который используется при измерении логарифмических амплитудно-частотных характеристик усилительных каскадов;

Г3-112 низкочастотный измерительный генератор гармонических колебаний, способный генерировать как гармоническое напряжение, так и в виде меандра в диапазоне частот 10 Гц…10МГц, и используется в качестве источника входного сигнала исследуемого усилительного каскада;

источники стабилизированного напряжения, применяемые в качестве источника питания исследуемого усилительного каскада.

Часть 2.

Схемы экспериментальных исследований, краткая методика измерений, результаты измерений.

2. Измерение АХ какскада на ОУ.

Измерения амплитудной характеристики усилительного каскада проводится на частоте сигнала, соответствующей области средних частот его полосы усиления. В нашем случае это частота f = 3000 Гц.

Для экспериментального измерения АХ усилительного каскада на его вход подается напряжение с выхода генератора Г3-112 c амплитудой 0.01-1.5 В. Частота сигнала устанавливается в значение 3 кГц. Форма и амплитуда входного и выходного напряжений контролируются одновременно двухканальным осциллографом С1-83. Уровень входного напряжения устанавливается с помощью выходных аттенюаторов (плавно и грубо) измерительного генератора Г3-112.

В силу высокой линейности АХ усилительного каскада достаточно подобрать амплитуду входного напряжения, при которой наступает отсечка положительной или отрицательной амплитуды выходного напряжения. Далее для поверки линейности АХ надо уменьшить амплитуду входного напряжения в два раза и измерить амплитуду выходного напряжений. По измеренным двум точкам строится амплитудная характеристика усилительного каскада.

По выше указанной методике получаем следующие данные:

а. Коэфиициент усиления Ku = 100, частота сигнала f = 3 кГц. (измеряем размахи)

Напряжение отсечки (дел.)

дел.

дел.

Развертка

выход:

Напряжение отсечки, В

Уменьшаем амплитуду в 2 раза:

Напряжение отсечки (дел.)

дел.

дел.

Напряжение отсечки, В

б. Коэфиициент усиления Ku = 10, частота сигнала f = 3 кГц. (измеряем размахи)

Напряжение отсечки (дел.)

дел.

дел.

Развертка

выход:

Напряжение отсечки, В

Уменьшаем амплитуду в 2 раза:

Напряжение отсечки (дел.)

дел.

дел.

Напряжение отсечки, В

По полученным данным постороим график АХ усилительного каскада на ОУ:

3. Измерение ЛАЧХ усилительного каскада на ОУ.

Для получения АЧХ в логарифмическом масштабе (ЛАЧХ) выходное напряжение каскада измеряют вольтметром В3-38 со шкалой, проградуированной в децибелах. Подаваемый уровень входного напряжения от генератора Г3-112 должен соответствовать линейному режиму усиления. Как правило, при коэффициенте усиления каскада Ku =100 и 10 достаточно установить выходное напряжение 0 дБ (Uэфф=0,775 В) на частоте 1 кГц. Затем, изменяя частоту входного сигнала (как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения), фиксируют частоты, при которых выходное напряжение уменьшается до уровней -3, -10, -20 и -40 дБ. Результаты измерений записывают в рабочей тетради, по которым строится экспериментальный ЛАЧХ и расчетный с использованием кусочно-линейной аппроксимации.

Проведя измерения по выше указанной методике, получили следующие данные:

Проводим четыре опыта с различными параметрами схемы:

А). Ku =100 (R2.2/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2

Б). Ku =100 (Z2.2/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2 (Z2 = R2||X_C2)

В). Ku =10 (R2.1/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2

Г). Ku =10 (R2.1/R1.1) и разделительный конденсатор C1.1

напряжение на входе - (-40) дБ

Гц

А).

(R2.2/R1.1)+C1.2

Б).

(Z2.2/R1.1)+C1.2

В).

(R2.1/R1.1)+C1.2

Г).

(R2.1/R1.1) + C1.1

дБ

дБ

дБ

дБ

Теперь, по полученным данным построим графики ЛАЧХ:

C этого графика снимаются значения граничных частот (верхних и нижних) по снижению ЛАЧХ на 3дБ:

А). Ku =100 (R2.2/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2

Б). Ku =100 (Z2.2/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2 (Z2 = R2||XC2)

В). Ku =10 (R2.1/R1.1) и разделительный конденсатор C1.2

Г). Ku =10 (R2.1/R1.1) и разделительный конденсатор C1.1

4. Нелинейные искажения усилителя из-за ограниченной скорости изменения выходного напряжения

Для получения графиков выходного напряжения подключается осциллограф С1-83, где мы можем наблюдать как входной, так и выходной сигналы.

Затем устанавливаем нужную частоту на генераторе ГЗ-112. Коэффициет усиления Ku с помощью элементов стенда приводится к значению Ku = 10.

Устанавливае муровень входного напряжения равным 0.5В и снимаем осциилограмму выходного напряжения. Затем увеличиваем уровень входного напряжения сначала в 2, а потом в 3 раза, и снимеам осциилограммы в этих случаях.

На осциллограмме можно заметить появление нелинейных искажений в выходном сигнале (отклонения от синусоидальности и смещение по временной шкале).

Измерения проводятся на 2-х частотах: 20кГц и 40кГц.

Проведя измерения по выше указанной методике, получили следующие данные:

а).

1. Um_вх = 0,5В

2. Um_вх = 1,0В

3. Um_вх = 1,5В

Развертка: