Отчет защищен с оценкой преподаватель

ГУАП

ОТЧЕТ
ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Характеристики операционного усилителя

по курсу: ЭЛЕКТРОНИКА

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР.	В8311
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург

2011

Цель работы

1. 
   Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).
   
2. 
   Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.
   
3. 
   Измерение напряжения смещения ОУ.
   
4. 
   Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.
   
5. 
   Вычисление выходного сопротивления ОУ.
   
6. 
   Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.
   

Лабораторная установка

1. 
   Вольтметр
   
2. 
   Амперметр
   
3. 
   Осциллограф
   
4. 
   Функциональный генератор
   
5. 
   Источник напряжения
   
6. 
   ОУ LM741H
   
7. 
   Резисторы 100 Ом, 10 кОм
   

Теоретические сведения

Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток I_ВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20%. Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:
( 1 ),
где I₁ и I₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов определяется выражением:
( 2 ).
В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рис. 1.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К_У - показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности. Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ ( рис. 2 ) вычисляется по формуле:
( 3 ).

Напряжение смешения U_СМ - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения U_СМ можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:
( 4 ).

Входное сопротивление R_ВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм.,.10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока:
.

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:
,
где ΔU_ВХ - изменение напряжения между входами ОУ, ΔI_ВХ - изменение входного тока.

Выходное сопротивление Rвых в интегральных ОУ составляет 20...2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис. 3.

Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.
.
Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рис. 4. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Ход работы

Эксперимент 1. Измерение входных токов

Измеренные со схемы №1 ( рис. 1 ) входные токи ОУ записаны в раздел "Результаты экспериментов". По результатам измерений вычислен средний входной ток I_ВХ и разность входных токов ОУ. Результаты вычислений также занесены в раздел "Результаты экспериментов".


Рис. 1. Схема №1

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения

Показания вольтметра со схемы №2 ( рис. 2 ) занесены в раздел "Результаты экспериментов". Используя коэффициент усиления схемы на ОУ, по результатам измерения, вычислено напряжение смещения U_СМ. Результаты вычислений также занесены в раздел "Результаты экспериментов".


Рис. 2. Схема №2

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений

1. 
   Входной ток I_ВХ и выходное напряжение U_ВЫХ сняты со схемы №3 ( рис. 3 ), показания отражены в разделе "Результаты экспериментов". Входной ток после переключения ключа измерен и зафиксирован. Изменения входного напряжения и тока рассчитаны. По полученным результатам вычислено дифференциальное входное сопротивление ОУ. Результаты занесены в раздел "Результаты экспериментов".
   
2. 
   Уменьшая сопротивление нагрузочного резистора R_L до тех пор, пока выходное напряжение U_ВЫХ не стало примерно равно половине значения полученного в п. 1, получено значение сопротивления R_L, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению R_ВЫХ ОУ. Результат отражен в разделе "Результаты экспериментов".
   

Рис. 3. Схема №3

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

Осциллограмма выходного напряжения со схемы №4 ( рис. 4 ) отражена в разделе "Результаты экспериментов". По осциллограмме определена величина выходного напряжения, время его установления и вычислена скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Результат отражён в разделе "Результаты экспериментов".


Рис. 4. Схема №4

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение входных токов

1. 
   Ток неинвертирующего входа I₁ = 90,499 нА.
   
2. 
   Ток инвертирующего входа I₂ = 69,502 нА.
   
3. 
   Средний входной ток I_ВХ = 75, 501 нА.
   
4. 
   Разность входных токов ОУ ΔI_ВХ = 20,997нА.
   

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения

1. 
   Выходное напряжение усилителя U_0,ВЫХ = 1,003 В.
   
2. 
   Коэффициент усиления схемы: 1000.
   
3. 
   Напряжение смещения U_СМ = 1,003 мВ.
   

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений

1. 
   Выходное напряжение до переключения: U_ВЫХ = -1,029 кВ.
   Входной ток до переключения ключа: I_ВХ = 0,075 мкА.
   Входной ток после переключения ключа: I_ВХ = 0,064 мкА.
   Изменение входного напряжения: ΔU_ВХ = 1,976 кВ.
   Изменение входного тока: ΔI_ВХ = -0,011 мкА.
   Входное дифференциальное сопротивление ОУ: R_ВХДИФ = 1,918 ГОм.
   
2. 
   Выходное напряжение: U_ВЫХ = -514,286 В.
   Выходное сопротивление ОУ: R_ВЫХ = 30 Ом.
   

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

1. 
   Выходное напряжение: U_ВЫХ = 10 В.
   
2. 
   Время установления выходного напряжения: Δt_УСТ = 226,359 нс.
   
3. 
   Скорость нарастания выходного напряжения ОУ: V_Uвых = 35,263 МВ/c.
   

Рис. 5. Осциллограмма нарастания выходного напряжения