Исследование вольтамперных характеристик усилителя базе операционного усилителя (ОУ) (1075451), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Серия экспериментальных ЛАЧХ изображена на рис.8.

Как видно из рис.8, получены следующие значения для граничных частот:

fн1≈417 Гц; fн2≈1820 Гц; fв’1≈3170 Гц; fв1≈10600 Гц; fв2≈105450 Гц;

Анализ полученных результатов проведем в разделе «Обсуждение полученных результатов». В целом, полученные экспериментальные данные по модулю коэффициента усиления и граничным частотам исследуемого инвертирующего каскада, качественно совпадают с теоретическими данными.

Рисунок 8. Серия экспериментальных ЛАЧХ для схем 1)-4).

Опыт2. Измерение серии АХ для области средних частот (f=3кГц).

Прежде всего, опишем методику снятия характеристик. Измерения амплитудной характеристики усилительного каскада проводится на частоте сигнала, соответствующей области средних частот его полосы усиления. В исследуемом макете эта частота расположена в диапазоне 1…5 кГц (измерения проводились на частоте f=3кГц). Ожидаемая максимальная амплитуда выходного напряжения U_{m.вых.макс} определена из паспорта на ОУ или принимается на 1 В меньше напряжения питания(Um.вых.макс=14 В). Соответствующая данному напряжению амплитуда входного напряжения определяется коэффициентом усиления K_u каскада:

U_{m.вх.макс} = U_{m.вых.макс} / K_ui , i=1,2.

Для экспериментального измерения АХ усилительного каскада на его вход подается напряжение с выхода генератора Г3-112 c амплитудой несколько меньше U_{m.вх.макс}. Частота сигнала устанавливается в диапазоне 1 – 5 кГц (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.

Подобрав величину входного напряжения таким образом, что выходной сигнал близок к состоянию отсечки, проводятся измерения для 3-х величин входного напряжения Umвх<Umвх.макв, и для одной точки Umвх>Umвх.макс. Форму выходного напряжения без отсечки и с наблюдаемой отсечкой амплитуды для схемы 3) зарисовать в рабочей тетради. По измеренным точкам строится амплитудная характеристика усилительного каскада.

Экспериментальные АХ снимаются для следующих вариантов исполнения схемы усилительного каскада:

1. R1=R1.1; R2=R2.2; R3=R3.1||R3.2; Cp=C1.2;

2. R1=R1.1; R2=R2.1; R3=R3.1||R3.2; Cp=C1.2;

Результаты эксперимента сведены в таблице 2:

Таблица 2. Экспериментальные данные по АХ для области СЧ.

Примечание: * - наблюдается начало отсечки выходного сигнала;

** - форма выходных(и входных) сигналов зарисована.

Серия экспериментальных АХ представлена на рис.9.

Рисунок 9. Серия экспериментальных АХ для схем 1), 3) на частоте входного сигнала f=3 кГц.

Как видно из рис.9, получены следующая максимальная амплитуда выходного сигнала и предельные значения входных амплитуд, начиная с которых наблюдается искажение выходного сигнала и дальнейшая отсечка:

Umвых.макс=14.5 В; Umвх.пор=140 мВ и Umвых.пор=1.32 В.

Формы выходного сигнала для 3)-го варианта исполнения схемы в случае линейного режима и в области отсечки представлены на рис.10 и рис.11 соответственно.

Рисунок 10. Выходной и входной Рисунок 11. Выходной и входной сигналы

сигналы для области линейного режи- для области отсечки.

ма работы усилительного каскада.

Опыт 3. Измерение АХ для схемы 3) в области высоких частот (f’=fв/4).

Прежде всего, опишем методику измерения АХ для области высокочастотного входного сигнала. При измерении АХ в высокочастотной области (f’=fв/4=26 368 кГц), где искажения выходного напряжения усилительного каскада связаны с быстродействием ОУ, при измерении получено не менее пяти экспериментальных точек. При этом из-за отсутствия спектра анализатора по осциллографу замеряется амплитуда выходного напряжения, а не его первая гармоника. Первой экспериментальной точкой является такая максимальная амплитуда входного напряжения, при которой визуально выходное напряжение остается гармонической формы. Затем входное напряжение увеличивается до величины, когда выходное напряжение превращается в треугольное. Между двумя этими уровнями входного напряжения проводятся дополнительно два измерения. Осциллограммы выходных напряжений для области линейной передачи, области начала нелинейных искажений и форма выходного сигнала, соответствующего максимальной выходной амплитуде,(с указанием величины максимальной амплитуды и периода колебаний, измеренных по осциллографу) приводятся ниже.

Экспериментальная АХ снимается для исполнения схемы 3).

Результаты сведены в таблице 3:

Таблица 3. Экспериментальные данные по АХ для области высоких частот.

Примечание: * - приведены формы осциллограмм выходного напряжения.

Полученная АХ представлена на рис.12:

Рисунок 12. Экспериментальная АХ для высокочастотного режима работы усилительного каскада (f=26 кГц).

Как видно из рис.12, получены следующая максимальная амплитуда выходного сигнала и предельное значение входной амплитуды, начиная с которых наблюдается искажение выходного сигнала и дальнейшая отсечка (сопровождающаяся преобразованием синусоидальной формы в треугольную) :

Umвых.макс=7.6 В; Umвх.пор=0.75 мВ; Umвых.пор=6.7 В.

Форма выходного сигнала для данных таблицы 3, помеченных знаком (*) представлена на рис.13-14.

Рисунок 13. Формы входного и выходного сигналов для линейного и нелинейного режимов работы соответственно .

Коэффициент разверток для осциллограмм на рис.13 : 5 мкс.

Масштабные коэффициенты:

-для 1-го рисунка (рис.13) – по входному напряжению k=0.1В/дел; по выходному k=1В/дел;

-для 2-го рисунка (рис.13) – по входному напряжению k=0.5 В/дел; по выходному k=2В/дел;

-для рис.14 – по входному напряжению k=0.5 В/дел; по выходному k=2В/дел;

Рисунок 14. Область высокочастотного искажения синусоидальной формы выходного сигнала (Umвых.макс=7.6 В).

Определим экспериментальную скорость изменения выходного напряжения из рисунка 14. Как видно из рисунка, количество делений по оси времени соответствующее росту выходной амплитуды от -7.6 до +7.6 В равно 3.3 . Согласно коэффициенту развертки в 5 мкс, t=5*3.3=16.5 мкс. Таким образом, vмакс=2*Umвых.макс/t=2*7.6/16.5≈0.92 мкс.

«Обсуждение полученных результатов»

В целом, результаты проведенного эксперимента по исследованию основных характеристик инвертирующего усилительного каскада на базе ОУ, явились качественным представлением теоретически ожидаемых параметров и характеристик. Полученные численные значения модуля коэффициента усиления для опыта по снятию ЛАЧХ для диапазона средних частот имеют высокую степень численного соответствия, как это видно из рисунков 6 и 8. Степень соответствия экспериментально полученных граничных частот и теоретически ожидаемых может быть оценена качественно и ,в общем-то, также весьма правдоподобна, что также было показано на рисунках 6 и 8 и отображено аналитически. Сопоставление теоретических и экспериментальных АХ для области линейного режима работы усилительного каскада также приводит к весьма небольшой численной погрешности и высокой качественной сходимости результатов, как это видно из рисунков 2 и 9. Уменьшение сопротивления R2 приводит к существенному расширению диапазона входных напряжений, соответствующего линейному режиму работы усилителя, что и было продемонстрировано в данной работе и отображено на рисунке 9. Шунтирование емкостью С2 сопротивления R2 приводит к существенно раннему падению модуля коэффициента усиления на высоких частотах, что было продемонстрировано на рисунке8 (т.е. снижение верхней граничной частоты). Емкость входной цепи С1 влияет на постоянную времени входной цепи, а значит и на нижнюю граничную частоту, т.е. с уменьшением емкости С1 происходит уменьшение постоянной времени входной цепи, а следовательно – к увеличению значения нижней граничной частоты, что достаточно хорошо было продемонстрировано при измерении серии ЛАЧХ и отображено на рисунке 8. Максимальная амплитуда выходного напряжения ,как это было показано экспериментально, определяется величиной напряжения питания ОУ и численно меньше этого значения на величину порядка 1-2 В(см. рис.9).Для области средних частот выход режима работы усилительного каскада за пределы линейности объясняется выходом в режим насыщения(отсечки) транзисторов ОУ. Данный эффект влечет за собой отсечку амплитуды выходного сигнала, что хорошо отображено на рисунках 9-11. Для высокочастотной области режима работы усилительного каскада нелинейность выходного сигнала обусловлена ограничением по скорости изменения выходного напряжения, что является функцией параметров используемого ОУ. Максимальная амплитуда выходного сигнала при этом существенно снижается, что и было продемонстрировано(см. рисунки 12-14).Следует отметить существенное различие между теоретически ожидаемыми максимальной амплитудой и скоростью изменения выходного напряжения и экспериментально полученными(данное отличие порядка 3 раз, т.е. максимальная выходная амплитуда в 3 раза превышает ожидаемое значение, равно как и экспериментальная скорость изменения выходного напряжения в 3 раза превосходит теоретический расчет).

Характеристики

Список файлов лабораторной работы