Лаб раб 4 ОУ (Лабораторные работы по электротехнике)

6

Лабораторная работа № 4

Исследование операционного усилителя

Цель работы: ознакомление с характеристиками операционного усилителя и применение его в качестве масштабного усилителя, избирательного усилителя и генератора.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления (K_U = 10⁴...10⁶) и входного сопротивления (R_вх = 10⁴...10⁹ Ом), имеющий непосредственные связями, применяемый в основном в качестве ак­тивного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффици­енте усиления операционного усилителя по напряжению передаточная характе­ристика устройства вместе с цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя.

В настоящее время ОУ являются основой аналоговой техники и используются для преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот: от 0 до 10⁵...10⁷ Гц.

Современные ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, несколько каскадов усиления напряжения, причём входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме, а выходной – по схеме эмиттерного повторителя. Кроме того, схема содержит цепи согласования каскадов между собой и цепи защиты от перегрузок.

ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий и один выход.

В данной работе исследуются ОУ на микросхеме К284УД1, цоколёвка и условное графическое изображение которой показаны на рис. 1.

Назначение выводов К284УД1:

1 – неинвертирующий вход; 13 – инвертирующий вход, 8 – выход; 10, 7 – «+» и «-» напряжения питания; 3, 11 – балансировка; 5 – частотная коррекция;, 15, 12 – «общий»; 2, 4, 14 – внешнее управление.

Основные электрические параметры микросхемы К284УД1:

На основе ОУ могут быть реализованы устройства, выполняющие самые различные операции, например, инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель, избирательный усилитель, интегратор, дифференциатор, компаратор, генераторы импульсов различных форм и гармонических колебаний и многое другое. Выполнение ОУ указанных аналоговых операций осуществляется благодаря использованию различных внешних обратных связей (ОС), как положительных (ПОС), так и отрицательных (ООС).

В настоящей работе исследуются три схемы включения ОУ: инвертирующий усилитель, избирательный усилитель и автогенератор колебаний гармонической формы.

На рис. 2 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя. Резисторы R₁ и R₂ передают часть выходного напряжения усилителя на его инвертирующий вход, образуя цепь отрицательной ОС по напряжению. Наличие цепи ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления, но стабильность работы возрастает. Коэффициент усиления данного усилителя определяется по формуле K_U = -R₂/R₁. Знак «-» говорит об инвертировании сигнала, K_U не зависит от свойств ОУ и частоты сигнала, поэтому такой усилитель часто называют «масштабным».

Для создания на основе ОУ избирательного усилителя необходимо охватить его частотно-избирательной цепью ООС, коэффициент передачи которой β = U_ос/U_вых в узкой полосе частот снижается практически до нуля.

Широкое применение в таких усилителях низкой и средней частоты нашёл двойной Т-образный мост, схема и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого показаны на рис. 3.

На очень низких частотах (f → 0), коэффициент передачи моста β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся очень большими и всё напряжение почти без потерь передаётся через «верхний» одинарный мост R-2C-R. На сравнительно высоких частотах сопротивления конденсаторов малы и всё напряжение передаётся через «нижний» одинарный мост C-R/2-C на выход, следовательно, и в этой области частот β → 1. На квазирезонансной частоте f₀ = коэффициент передачи моста β → 0.

Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи ООС и его АЧХ приведены на рис. 4.

В данной схеме независящая от частоты цепь ООС R₁-R₂ определяет величину K_Umax и стабилизирует работу усилителя. Цепь ООС с двойным Т-образным мостом обеспечивает избирательные свойства усилителя. При условии R₁ « R обе цепи ОС практически независимы.

Если частота входного сигнала близка к f₀, то цепь ООС с двойным Т-образным мостом оказывается практически разорванной (β = 0), в схеме действует только ООС, созданная резисторами R₁-R₂, и коэффициент усиления достигает своего максимального значения K_Umax = -R₂/R₁. На всех других частотах β цепи с мостом стремится к 1, поэтому в схеме действует глубокая ООС, что приводит к резкому уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Для создания генератора на основе ОУ необходимо существование положительной ОС (ПОС). В схеме генератора, приведённой на рис. 5, ПОС создаётся резисторами R₃, R₄.Поскольку данный автогенератор содержит частотно-избирательную цепь – двойной Т-образный мост, то условия самовозбуждения: баланс амплитуд kβ ≥ 1 и баланс фаз φ_ус + φ_ос = 0 (φ_ус и φ_ос – сдвиг фаз в усилителе и в цепи ОС соответственно) – будут выполняться только на одной – квазирезонансной – частоте f₀.

Следовательно, возникающие колебания будут гармоническими.

Краткое описание применяемого оборудования

Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде, на передней панели которого изображена исследуемая схема (рис. 6).

Исследуемая схема включает в себя операционный усилитель (ОУ) типа К284УД1, двойной Т-образный мост, выполненный на элементах R и С, а также резисторы R₁ и R₂ цепи ООС ОУ и резисторы R₃ и R₄ цепи ПОС ОУ. Переключения в различные режимы работы ОУ осуществляется переключателями В₁, В₂, В₃, В₄ и переменным резистором R₄, помещённым на лицевую панель лабораторного стенда.

В лабораторной работе используются следующие контрольно-измеритель­ные приборы: генератор напряжения низкой частоты ГЗ-109 с аттенюатором 40 дБ и нагрузкой 50 Ом, двухлучевой осциллограф С1-93, вольтметр переменного тока В3-41.

Структурная схема установки представлена на рис. 7.

Напряжение на исследуемую схему лабораторного стенда подаётся с генератора ГЗ-109 через аттенюатор 40 дБ, ослабляющий его выходное напряжение в 100 раз, и согласующую нагрузку 50 Ом. Величина выходного напряжения генератора определяется по его вольтметру.

Выходное напряжение исследуемой схемы лабораторного стенда измеряется вольтметром В3-41. Кроме того, частота, форма и величина измеряемых напряжений определяется с помощью осциллографа С1-93.

Методика проведения лабораторной работы

1. Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.

2. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего масштабного усилителя.

2.1. Отключить от ОУ двойной Т-образный мост, поставив переключатели В1 и В2 в положение «1», подключить к ОУ цепь ООС, поставив переключатель В4 в положение «150к» и соединить неинвертирующий вход ОУ с общим проводом, поставив переключатель В3 в положение «2».

Соединить выход «1» генератора Г3-109 через аттенюатор 40 дБ и нагрузку 50 Ом со входом исследуемого усилителя (гнёзда Гн 15, Гн 18 – общ.). К выходу исследуемого усилителя (гнёзда Гн 16, Гн 17, Гн 19 – общ., Гн 20 – общ.) подключить вольтметр переменного тока В3-41 и вход первого канала осциллографа С1-93.

После проверки схемы преподавателем включить питание лабораторного стенда и приборов соответствующими тумблерами «сеть».

2.2. Снять амплитудные характеристики масштабного усилителя U_вых = f(U_вх) в режиме холостого хода при двух значениях сопротивления R₂ в цепи ООС ОУ: 75 кОм и 150 кОм.

Опыт проводить при частоте входного сигнала равной 1 кГц и изменении напряжения на входе усилителя от 10 до 100 мВ. Результаты записать в таблицу 1.

2.3. Снять амплитудно-частотную характеристику инвертирующего масштабного усилителя К_U = f(f) при R₂ = 150 кОм в диапазоне частот входного сигнала от 200 Гц до 15 кГц. Величину входного сигнала поддерживать равной 10 мВ. Убедиться, что U_вых ОУ, а, следовательно, и его коэффициент усиления К_U не зависит от частоты входного сигнала. Записать вывод в таблицу 2 и выключить лабораторный стенд тумблером «сеть».

3. Исследовать двойной Т-образный мост.

Установить переключатель В2 в положение «2», подключить вход моста к выходу генератора, выход моста (гнёзда Гн 14, общ) – к вольтметру переменного тока. Установить U_вх = 100 мВ и, плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по минимуму U_вых определить резонансную частоту f_рез1 исследуемого двойного Т-образного моста.

Последовательно устанавливая значения частот сигнала:

f_рез1 - 800 Гц; f_рез1 - 300 Гц; f_рез1 - 100 Гц; f_рез1; f_рез1 + 100 Гц; f_рез1 + 300 Гц; f_рез1 + 800 Гц;

снять амплитудно-частотную характеристику исследуемого моста.

Результаты записать в таблицу 3.

2. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего избирательного усилителя.

Установить переключатель В1 в положение «2», дополнительно включить в цепь ООС двойной Т-образный мост. Подключить к выходу ОУ вольтметр переменного тока, установить U_вх = 10 мВ и включить лабораторный стенд. Плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по максимуму U_вых ОУ определить резонансную частоту избирательного усилителя f_рез2.

Последовательно устанавливая значения частот сигнала:

f_рез2 - 800 Гц; f_рез2 - 300 Гц; f_рез2 - 100 Гц; f_рез2; f_рез2 + 100 Гц; f_рез2 + 300 Гц; f_рез2 + 800 Гц;

снять амплитудно-частотную характеристику избирательного усилителя.

Результаты записать в таблицу 4, аналогичную таблице 3.

5. Исследовать работу ОУ в режиме автогенератора гармонических колебаний (см. рис. 5).

5.1. Подключить к ОУ цепь положительной обратной связи (ПОС), установив переключатель В3 в положение «1». Потенциометр R₄ установить в крайнее правое положение, соответствующее максимальному сопротивлению и, следовательно, минимальной глубине ПОС. Подключить к выходу автогенератора вход первого канала осциллографа, на вход второго канала подать сигнал с генератора Г3-109.

5.2. Плавно уменьшая величину сопротивления потенциометра R4, то есть увеличивая глубину ПОС, получить режим автогенерации, при котором на выходе автогенератора наблюдается напряжение синусоидальной формы.

Изменяя частоту выходного напряжения генератора Г3-109, с помощью осциллографа определить частоту выходного напряжения автогенератора. Зарисовать форму выходного напряжения автогенератора в указанном выше режиме при некотором увеличении глубины ПОС, в результате чего условия самовозбуждения будут выполняться не только на частоте f_рез, что приведёт к искажению формы возникающих колебаний.

6. Выключить контрольно-измерительные приборы и лабораторный стенд, отключить приборы от стенда.

Порядок оформления отчёта.

1. Постройте амплитудные характеристики масштабного усилителя для всех значений R₂ (таблица 1) в режиме холостого хода.

2. По построенным характеристикам определите K_U и сравните с расчётными значениями K_U = R₂/R₁. Определите U_{вх max} и U_{вых max} при работе усилителя в линейном режиме.

3. Постройте в единой системе координат амлитудно-частотые характеристики масштабного и избирательного усилителей. Определите полосу пропускания Δf избирательного усилителя.

4. Рассчитайте значение квазирезонансной частоты двойного Т-образного моста f₀, сопоставьте её с экспериментально найденными значениями f_рез избирательного усилителя и частотой f_ген синусоидального колебания автогенератора.

Литература

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. –М., Высшая школа, 1982, стр. 150, 156...157, 166...169.

2. Основы промышленной электроники. /Под ред. В.Г.Герасимова. –М., Высшая школа, 1986.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные свойства ОУ, укажите различие между инвертирующим и неинвертирующим входами.

2. Укажите характер и назначение каждой из цепей обратной связи.

3. Почему колебания в рассматриваемом автогенераторе синусоидальны?