1. Цель работы

— теоретическое изучение операционного усилителя ( ОУ );
— экспериментальное исследование двухкаскадного усилителя на базе ОУ.

2. Основные теоретические положения

Операционным усилителем называется интегральная микросхема, представляющая собой усилитель постоянного тока с параметрами, приближающимися к идеальным. Это — очень высокий коэффициент усиления
(сотни тысяч), практически бесконечно большое входное и малое ( десятки Ом
) выходное сопротивление, устойчивость к воздействию помехи и др.

Частотная характеристика ОУ не имеет резкого спада в области низких частот, а верхняя граничная частота имеет достаточно большое значение (сотни мегагерц).

ОУ строится по двух- или трехкаскадной схеме. Входным каскадом ОУ является балансный дифференциальный усилитель, имеющий два сигнальных входа.
Питание ОУ осуществляется, как правило, от двух разнополярных источников питания одинакового напряжения. Условное обозначение ОУ представлено на рис. 1.

рис. 1.

Верхний на рисунках вход ОУ называется неинвертирующим входом
(при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе совпадает с фазой входного), а нижний — инвертирующим входом (при подаче сигнала на этот вход фаза сигнала на выходе противоположна фазе входного ).

Поскольку коэффициент усиления собственно ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал
“шума” на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).

Наиболее типичные схемы усилителя на базе ОУ имеют вид, представленный на рис. 2. Коэффициенты усиления таких усилителей определяются параметрами цепи ООС и формулы для их вычисления приведены на рисунке.

рис. 2

Амплитудные передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителей с обратной связью представлены на рис. 3.
(соответственно 3-а и 3-б ).

рис. 3

Наклон рабочего участка характеристики определяется, очевидно, коэффициентом ( К ) усиления каскада.

На характеристиках имеются ярко выраженные участки насыщения, которые характеризуются тем, что, начиная с некоторого значения входного напряжения
Uвх max , выходное напряжение не увеличивается, а остается постоянным на уровне некоторого значения нас , которое определяется напряжением питания микросхем ОУ. Обычно нас меньше напряжения питания
п на ( 1 — 3 В).

При усилении переменного напряжения участок насыщения проявляет себя тем, что амплитуда выходного напряжения не увеличивается, а остается на уровне нас , и появляются нелинейные искажения, возрастающие с ростом входного сигнала, ( рис. 4. ).

рис.4

3. Описание объекта и средств исследования.

Схема лабораторной установки представлена на рис. 5.

рис.5

3.1. Предметом исследования в настоящей лабораторной работе является двухкаскадный усилитель, собранный на ОУ - микросхемах ДА1 и ДА2
— К 140УД8А.

Значения резисторов схемы: R1 = R2 = R4 = R5 = 2.2 кОм;

R3 = R6 = 10 кОм.

ОУ питаются от источника симметричного напряжения: 10 В.

В схеме предусмотрены контрольные точки для визуализации и измерения сигналов:

1) на входе усилителя “ГС1” ,

2) на выходе первого — входе второго каскадов “Вх1” ,

3) на выходе усилителя “Вх2” .

3.2. Усиливаемый сигнал синусоидальной формы подается на усилитель от измерительного генератора типа ЛЗ1.

Для этого на генераторе, установленном на лабораторном стенде слева, необходимо нажать клавишу “ ~ “ под надписью “род работы “ и снимать сигнал с выхода “10V” , соединив его кабелем с гнездами “вход ГС1“ лабораторного стенда. Изменение уровня выходного сигнала осуществляется ручкой “уровень“.

В генераторе не предусмотрено измерение выходного сигнала для установления его значений. Поэтому для установки заданной величины выходного сигнала следует пользоваться дополнительными измерительными приборами (здесь: Н3014).

Частота генератора задается с помощью кнопочного переключателя
“множитель“ и ручки плавного изменения частоты — “частота“. При этом частота сигнала определяется по показанию светового индикатора по шкале
“кГц” и значению одного из множителей: ( 0.01 — 100 ).

3.3. Наблюдение и измерение сигналов на входе и выходе усилителя осуществляется с помощью осциллографического мультиметра Н3014.

3.3.1. Мультиметр может подключатся попеременно к трем контрольным точкам схемы: “ГС1” , “Вх1” и “Вх2” .

Примечание. Обозначение контрольных точек обусловлено конструкцией лабораторного стенда и никакой смысловой нагрузки в контексте настоящей лабораторной работы не несет !

Вход “Y” мультиметра соединяется кабелем с гнездами “выход V~” на лабораторном стенде, а подключение его к контрольным точкам осуществляется нажатием кнопок “ГС1”, “Вх1” и “Вх2” под надписью “контроль V~” лабораторного стенда. При этом следует убедиться, что кнопка “ВСВ / ВНК” под надписью “коммутатор”: левая — нажата, правая — отжата.

3.3.2. Измерение сигнала с помощью мультиметра производится по устойчивому изображению этого сигнала на экране мультиметра с помощью двух маркерных знаков, которые появляются на экране при нажатой кнопке рода измерения “~V” и отжатой кнопке “N”.

Маркеры представляют собой две яркие точки, расположенные одна под другой по вертикали. Маркеры перемещаются в направлении: слева-направо — ручкой “ ” сверху-вниз — ручкой “ “

Расстояние по вертикали между маркерами изменяется ручкой “ V , t “ и измеряется в вольтах на “встроенном” в экран цифровом табло, местоположение и размер которого регулируются ручками “” , “” и “N " .
Таким образом, если изображение исследуемого сигнала с маркерными знаками на нем выглядит, например, так:
то двойная ампитула сигнала 2Um = 4.52 В, т.е. Um = 2.26 В или действующее значение .
Примечание: Можно, конечно, сразу установить маркерные знаки между точками, характеризующими действующее значение синусоидального напряжения, но точность измерения при этом очень низкая.
3.3.3. Получение устойчивого изображения сигнала на экране мультиметра осуществляется ручками: “t” и “стаб.” (при этом в данной лаболаторной работе кнопки “IMS” и “x10” — нажаты, а с увеличением частоты следует отжимать кнопку “x10”).

3.3.4. Установка изображения в пределах экрана по вертикали осуществляется ручками “~”, “ ~ “ и кнопочным переключателем “1” ,
“100” и “1000”.

Числовое значение у нажатой кнопки показывает предел измерения величины сигнала по цифровому табло на экране.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Снятие передаточной ( амплитудной ) характеристики усилителя.

4.1.1. Установить на генераторе Л31 частоту выходного сигнала = 1 кГц.

4.1.2. Подключить мультиметр к выходу генератора ( клемма “ГС1” ) ; получив на экране устойчивое изображение сигнала с генератора (см. пункт
3.3.3.) и измерив его , установить на его выходе с помощью ручки “уровень” 2Um ген= 0.1B = 2Um вх .

4.1.3. Переключить мультиметр на выход первого каскада усилителя
(“Вх1”) и, установив изображение в пределах экрана ручками управления мультиметра (см. пункт 3.3.4.), измерить значение напряжения : 2Um I .

4.1.4. Переключить мультиметр на выход усилителя (“Вх2”) и измерить значение напряжения 2Um вых .

4.1.5. Повторить п.п. 4.1.2. — 4.1.4. для ряда значений 2Um вх из табл. 1 и данные измерений занести в эту таблицу.

Таблица 1
|2Um вх |0.1 |0.5 |0.8 |1.0 |1.2 |1.4 |1.6 |2.0 |
|(В) | | | | | | | | |
|2Um (В) | | | | | | | | |
|2Um вых | | | | | | | | |
|(В) | | | | | | | | |

4.1.6. По результатам измерений построить г рафик зависимости Um вых = f ( Um вх ) и определить диапазон входных напряжений
:

Um вх мин = Um вх = Um вх макс ,

соответствующий рабочему участку характеристики.

4.1.7. В пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя определить по экспериментальным данным коэффициенты усиления каждого каскада усилителя в отдельности и усилителя в целом и сравнить их с ожидаемыми, полученными в результате расчета по данным схемы усилителя
(рис. 3.1.) .

4.2. Снятие амплитудно-частотной характеристики ( АЧХ ) усилителя.

4.2.1. Установить на выходе генератора — входе усилителя напряжение 2Um вх в пределах рабочего участка передаточной характеристики усилителя (мультиметр подключен к точке “ГС1”) .

4.2.2. Измерить напряжение на выходе усилителя “2Um вых” с помощью мультиметра ( мультиметр подключен к точке “Вх2” ) для различных значений частоты входного сигнала ( устанавливаемой так, как это описано в пункте
3.2.), взятых из таблицы 2. Результаты измерения занести в таблицу 2.

таблица 2
|F ( Гц) |20 |100 |1000 |2*103 |10*103|20*103|100*10|200*10|300*10|
| | | | | | | |3 |3 |3 |
|2Uвых | | | | | | | | | |
|(В) | | | | | | | | | |
|К | | | | | | | | | |
|К / К0 | | | | | | | | | |

2Um вх = . . .

4.2.3. Рассчитать значения К и К / К0 и занести их в таблицу 2 ( К0 — значение коэффициента усиления на частоте 20 Гц ) .

4.2.4. Построить график зависимости :

и определить рабочую полосу частот усилителя для коэффициента частотных искажений М = 3 дб.

4.3. Сделать выводы по проделанной работе, исходя из результатов измерений.

5. Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Схема лабораторной установки.

3. Таблицы измерений.

4. Формулы для расчета и расчет искомых параметров.

5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1. Что называется операционным усилителем ?

2. Каков порядок величин основных параметров ОУ ?

3. Сколько и какие входы у ОУ ? Почему они так называются ?

4. Чем объясняется необходимость введения отрицательной обратной связи в схемах усилителей на базе ОУ ?

5. Какова нижняя граница частотного диапазона работы ОУ ?

6. Чем определяется коэффициент усиления на базе ОУ ?

7. Какими параметрами усилителя на базе ОУ определяется диапазон входного напряжения усилителя ?

8. Чем определяется максимальное значение напряжения на выходе ОУ?

7. Список рекомендуемой литературы.

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М. : Высшая школа, 1982.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. I, II: Пер. с. англ. / Под. ред. М.В. Гальперина — М. : Мир., 1983.

3. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова — М. :
Высшая школа , 1986.

4. Щербаков В.И., Гредов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. — Киев : Техника, 1983.