Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей

2.1 Оценка характеристик измерительного усилителя на одном оу (иоу-1) в динамическом режиме

1. Открыть файл demonstration.ms9 (рис. 1).

Рис.1 Схема моделирования ИОУ на одном усилителе для оценки характеристик в динамическом режиме.

Пояснения к схеме рис.1.

Схема ИОУ-1 на 5-ти выводном ОУ, приведенная на рис.1, предназначена для оценки влияния синфазной составляющей на выходное напряжение дифференциального каскада в динамическом режиме. Для большей наглядности дифференциальный сигнал в данном случае отсутствует.

Диф. каскад выполнен на ОУ U1. Коэффициент передачи схемы m=R3/R1=R4/R2 (номинальное значение) задается резисторами R1-R4, питание ОУ обеспечивают источники постоянного напряжения V1,V2. Синфазная составляющая вырабатывается генератором прямоугольных импульсов V3. Осциллограф XSC1 предназначен для просмотра результатов моделирования.

2. Запустить моделирование и уяснить работу схемы. Зафиксировать осциллограмму выходного сигнала при m=0 и оценить по осциллограмме КОСС.

2.2 Исследование работы иоу-1 в статическом режиме

1. Открыть файл dif.ms9 (рис.2).

Рис.2 Схема моделирования ИОУ на одном усилителе для оценки характеристик в статическом режиме.

Пояснения к схеме ИОУ-1.

Схема, приведенная на рис.2 , была получена из предыдущей схемы путем добавления источника дифференциального сигнала (источник постоянного напряжения V3) с конечным внутренним сопротивлением, представленным в виде управляемого резистора R5 (величина сопротивления устанавливается источником V6), а так же добавлением ключей J1, J2, предназначенных для изменения полярности сигнала на входах дифференциального усилителя. Модель 5-ти выводного позволяет в отличие от модели 3-х выводного ОУ задавать КОСС ОУ. В то же время внутреннее напряжение смещения в модели, которое выводится в окне параметров ОУ, не регулируется!!! Этим объясняется необходимость установки внешнего генератора напряжения V7, который моделирует напряжение смещения ОУ.

Запустите моделирование и уяснить работу схемы.

3 Рассчитайте и измените параметры схемы (рис.2) в соответствии с данными, приведенными в табл.1. для вашего варианта. Откройте окно свойств ОУ, установите и зафиксируйте его параметры.

Табл.1 Параметры моделирования ИОУ-1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Амплитуда вх. диф. сигнала UД=V3, [мВ]	15	5	10	15	15	10	15	5	10	15
KД=m	55	50	60	65	75	75	80	85	100	90
R3=R4 [кОм]	550	600	650	700	750	800	750	850	900	650
Напряжение синфаз. сигнала V4=ЕС0, [В]	2.5	1.0	1.5	-2.0	-2.5	2.0	2.5	-1.0	-2.5	-2,0
Bых. сопротивление R5/R1	0,10	0,05	0,04	0,06	0,05	0,07	0,08	0,05	0,03	0,09
Входные токи ОУ [нА]	10	15	20	25	30	1	0,5	2	1,5	1
Разность вх. токов ОУ, [нА]	1,0	2,0	1,5	2,0	2,5	0,1	0,05	0,02	0,1	0,05
Напряжение смещен. UСМ01= V7, [мВ]	0,5	0,4	0,3	0,3	0,2	0,2	0,3	0,2	0,3	0,5
КС1 (ОУ), [дБ]	-80	-85	-75	-80	-70	-85	-80	-80	-70	-85
m10-3	5	4	3	-5	-4	-3	5	4	3	-4

4. Зафиксируйте исходное выходное напряжение сбалансированного ИОУ-1 при отсутствии синфазного и дифференциального сигналов (m=0, V3=0, V4=0).

Подайте на входы дифференциального каскада синфазный сигнал ЕС0. Запишите значение напряжения на выходе. Теперь, используя полученные данные, найдите КОСС ИОУ-1 для вашего случая. Объясните полученный результат.

5. Исследуйте влияние изменении синфазного сигнала V4 на выходное напряжение при отклонении резистора R2 от номинала на величину δm. Напряжение синфазного сигнала Ec=V4 должно изменяться в пределах (Ec=-Ec0÷2*Ec0). Величины Ec0 и δm указаны для вашего варианта в табл.1.

Данный пункт можно выполнить, последовательно меняя напряжение источника V4, при трех разных значениях резистора R2 и записывая показания вольтметра. Однако Multisim позволяет автоматизировать данный процесс.

Зайдите в меню Simulate->Analyses, выберете пункт DC Sweep («прокачка» по постоянному току), который позволяет производить анализ работы схемы по постоянному току при различных значениях источников напряжения. Перед вами откроется окно (рис. 3).

Рис.3 Окно настроек анализа по постоянному току.

В нем предлагается задать исходные данные для моделирования. Программа производит ряд измерений по постоянному току при значениях напряжения на источнике, указанном в секции Source 1, строке Source (в нашем случае это источник синфазного сигнала V4). В строках start, stop value increment вы указываете начальное, конечное значение и приращение напряжение на источнике. Результаты будут представлены в виде графика зависимости напряжения в цепи, указанной как выход (out) от источника V4, который вы указали в закладке Source 1 (см. рис.4).

Рис.4 Выбор цепи для построения графика.

Обратите внимание, что можно построить сразу несколько графиков зависимостей при различных значениях другого параметра/источника (в нашем случае это источник V5, определяющий сопротивление резистора U3), указав его в секции Source 2. Результаты моделирования базового варианта приведены на рис.5. С помощью курсоров вы можете посмотреть значение выхода при любом синфазном сигнале и заполнить таблицу 2.

Табл.2 Результаты моделирования ИОУ-1

Вариант		Uвх=V3, (мВ)	R5, [кОм]	Uвых, (V4=-Ec)	Uвых, (V4=0)	Uвых, (V4=2*Ec)	Кс	КОСС
1	V5=V5min	UД
2	V5=V5nom	UД
3	V5=V5max	UД
4	V5=V5max	-UД
5	V5=V5max	-UД

6. Оцените влияние внутреннего сопротивления источника сигнала R5, при изменении его значения от номинального до значения, равного сопротивлению R3 Данный пункт рекомендуется выполнять по аналогии с пунктом 2.4, варьируя V6.

7. Для точных измерений и подавления аддитивных погрешностей рекомендуется производить два последовательных измерения, при которых производится т. н. переполюсовка сигнала на входах диф. каскада. Полученные данные складываются по модулю и делятся на два, тем самым, исключая влияние синфазной составляющей. В нашем случае переполюсовка осуществляется с помощью ключей J1, J2.

Произведите измерения согласно этому способу для варианта 4 табл.2 и сравните результаты с теорией.

*8. Найдите оптимальное значение m, которое максимизирует величину КОСС. Установите найденное значение m для варианта 5 табл.2, проведите моделирование и зафиксируйте полученный результат.

Рис.5 Результаты, полученные при использовании «прокачки» по постоянному току для базового варианта.