4 Схема исследования

На рисунке 1 представлена принципиальная схема операционного усилителя. Дифференциальный каскад на входе выполнен на БТ. На том же рисунке представлены приборы для исследования ОУ: генераторы и вольтметры, которые позволяют снять характеристику прямой передачи, измерить коэффициент передачи, входное и выходное сопротивления ОУ и снять амплитудно-частотную характеристику.

Питание усилителя осуществляется от двух источников G3 и G4.

Первым каскадом ОУ является дифференциальный каскад, который выполнен на биполярных транзисторах VT1-VT3. Причем транзистор VT3 является источником тока для дифференциальной пары VT1-VT2. Вход 1 является инвертирующим, а вход 2 неинвертирующим.

Рисунок 1 – Принципиальная схема ОУ на БТ

На вход 1 подается напряжение от генератора переменного напряжения G1. Этот сигнал используется для измерения коэффициента усиления ОУ, входного и выходного сопротивлений, а так же для снятия АЧХ усилителя.

На вход 2 подается постоянное напряжение от генератора G2. Этот сигнал необходим для снятия характеристики прямой передачи и балансировки усилителя. Вспомогательные резисторы R1 и R6 в состав усилителя не входят, они используются для определения входного сопротивления усилителя.

Вторым каскадом так же является дифференциальный усилитель на транзисторах VT4-VT5.

Назначение транзисторов VT6-VT7 осуществить сдвиг уровня сигнала для получения на выходе ОУ постоянного напряжения близкого к нулю.

Эмиттерный повторитель на транзисторе VT8 необходим для получения малого выходного сопротивления.

Диоды VD1 и VD2 служат для температурной стабилизации.

При помощи нагрузочного резистора R13 определяем выходное сопротивление ОУ. Конденсатор С1 служит для коррекции АЧХ.

Вольтметрами PV1 и PV2 измеряется постоянное и переменное напряжения на выходе ОУ соответственно.

На рисунке 2 представлена принципиальная схема ОУ, у которого дифференциальная пара первого каскада выполнена на полевых транзисторах, что позволяет получить большое входное сопротивление усилителя. Второй и последующие каскады выполнены по той же схеме, что и в первом усилителе.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ОУ с полевыми транзисторами на входе

5 Задание к работе в лаборатории

5.1 Исследовать ОУ1, собранный в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 1. Для этого из папки ″Исслед. ОУ″ открыть файл ″Рисунок 1″ .

5.2 Согласно варианта, заданного преподавателем, установить БТ дифференциального каскада VT1 и VT2, а так же эмиттерного повторителя VT8 из таблицы приложения А.

5.3 Снять характеристику прямой передачи ОУ1 U_ВЫХ = F(U_ВХ2).

Напряжение U_ВХ2 источника G2 следует изменять в обе стороны от нуля до такой величины, при которой наступает насыщение ОУ1. Переменное напряжение сигнала при этом отсутствует U_ВХ1=0. Результаты измерений вольтметром постоянного тока pV1 занести в таблицу 1.

Таблица 1

UВХ 2, мВ

0

0,1

0,2

…

- 0,1

- 0,2

…

UВЫХ, В

UСМ, мВ = …

UВЫХ МАКС = + …

UВЫХ МИН = - …

КU =

По снятой характеристике необходимо определить величину и знак напря- жения смещения U_СМ, а также величину напряжения насыщения U_{ВЫХ МАКС} и U_{ВЫХ МИН}. Определить К_U =Δ U_ВЫХ / Δ U_ВХ на линейном участке характеристики.

5.4 Сбалансировать ОУ1 при отсутствии входного сигнала переменного тока (U_ВХ1=0), подав на неинвертирующий вход 2 напряжение смещения U_СМ. Для этого подбором величины U_ВХ2 добиться показания вольтметра постоянного тока pV1 близкого к нулю (U_ВЫХ ≤│0,1│ В),

5.5 Измерить коэффициент усиления по напряжению на переменном токе. Установить частоту генератора G1 f = 1 кГц, а напряжение входного сигнала

U_ВХ1=0,1 мВ. Записать значение выходного напряжения U_ВЫХ, измеренное вольтметром переменного тока pV2 в таблицу 2. Рассчитать К_U и сравнить его с полученным значением в п. 5.3.

Таблица 2.

П 5.5		П 5.6		П 5.7
UВХ1, мВ		UВЫХ1, В		UВЫХ3, В
UВЫХ, В		UВЫХ2, В		UВЫХ4, В
КU		RВХ, кОм		RВЫХ, Ом

5.6 Измерить входное сопротивление. Подать напряжение сигнала U_ВХ1 (как в п.5.5) и произвести два замера выходного переменного напряжения ОУ1:

а) U_ВЫХ1 при сопротивлениях R1 и R6 равных 24 Ом;

б) U_ВЫХ2 при сопротивлениях R1 и R6 равных 24 кОм.

Результаты измерений записать в таблицу 2.

Входное сопротивление ОУ определяется по формуле:

R_ВХ = (R1+R6) ∙ U_ВЫХ2 / (U_ВЫХ1- U_ВЫХ2),

где R1 и R6 равны 24 кОм.

Восстановить значение резисторов R1 и R2 до 24 Ом.

5.7 Определить выходное сопротивление.

Для этого подать входное напряжение U_ВХ1 =0,1 мВ и произвести два замера переменного напряжения на выходе ОУ1:

а) U_ВЫХ3 при значении нагрузочного сопротивления R₁₃ =2 Мом).

б) U_ВЫХ4 при нагрузочном сопротивлении R₁₃, равном 2 кОм. Результаты измерений записать в таблицу 2.

Выходное сопротивление ОУ вычисляется по формуле

R_ВЫХ = R₁₃ ∙ (U_ВЫХ3- U_ВЫХ4) / U_ВЫХ4,

где R₁₃ равно 2 кОм.

Установить значение резистора R₁₃ равным 2 МОм.

5.8 При помощи осциллографа зарисовать временные диаграммы напряжения на входе и на выходе сбалансированного и несбалансированного ОУ1.

Увеличивая напряжение входного сигнала U_ВХ1, установить максимально возможное неискаженное выходное напряжение для сбалансированного ОУ и зарисовать его форму. Обратить внимание на инверсию выходного сигнала относительно входного. Оставив входное напряжение U_ВХ1 неизменным, разбалансировать ОУ, увеличивая постоянное положительное напряжение источника G2 до появления искажений сигнала на выходе, зарисовать форму этого сигнала. Изменить полярность источника G2 и зарисовать форму искаженного выходного сигнала в этом случае.

5.9 Снять амплитудно-частотную характеристику ОУ1 K_U=F(f).

Сбалансировать ОУ1 (см. п. 5.4). Подать переменный входной сигнал с частотой 1 кГц и уровнем U_ВХ1=0,1 мВ. Измерить выходное напряжение вольтметром pV2 и определить коэффициент усиления на данной частоте. Повторить указанные действия на частотах 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 и т.д. кГц.

Частоту увеличивать до тех пор, пока коэффициент передачи усилителя не снизится в 10 раз. Результат исследований занести в таблицу 3.

Таблица 3.

UВХ= 0,1 мВ
f, кГц	1	2	5	10	20	…
UВЫХ, мВ
KU

5.10 Исследовать ОУ2, собранный в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 2. Для этого из папки ″Исслед. ОУ″ открыть файл ″Рисунок 2″.

5.11 В соответствии с вариантом, заданного преподавателем, установить тип ПТ дифференциального каскада VT1 и VT2, а так же БТ эмиттерного повторителя VT8 из таблицы приложения А.

5.12 Снять характеристику прямой передачи ОУ2 U_ВЫХ = F(U_ВХ2).

Переменное напряжение сигнала при этом отсутствует U_ВХ1=0.

Характеристику получают методом экспресс анализа следующим образом: в меню EWB выберите опцию Analysis. В открывшемся списке выбрать Parameter Sweep… В окне установить следующие значения:

Component - V4: это источник напряжения подаваемого на вход 2;

Start Value : -10 мВ начальное значение входного напряжения;

End Value : +10 мВ конечное значение входного напряжения;

Sweep type – Linear: линейное изменение входного напряжения при анализе;

Increment Step Size : 1- приращение входного напряжения при одном шаге;

Output Node -19: это точка соответствующая выходу;

Sweep for – DC Operating Point: расчет цепи по постоянному току.

Выполнить команду – Simulate.

На выведенном графике с помощью двух курсоров (рисунок П.1) можно определить входные напряжения х1 и х2, выходные напряжения у1 и у2, а также разницу dх= х1 - х2 и dу= у1 - у2. Кроме того, можно определить максимальные (max) и минимальные значения (min) х и у.

Результаты измерений занести в таблицу 4.

Таблица 4

UВХ 2, мВ

0

1

2

…

- 1

- 2

…

UВЫХ, В

UСМ, мВ = …

UВЫХ МАКС = + …

UВЫХ МИН = - …

КU =

По снятой характеристике необходимо определить величину и знак

напряжения смещения U_СМ, а также величину напряжения насыщения

± U_{ВЫХ МАКС} . Определить также К_U = dу / dх.

5.13 Измерить входное сопротивление. Подать напряжение сигнала U_ВХ1 (как в п.5.5) и произвести два замера выходного переменного напряжения ОУ2:

а) U_ВЫХ1 при сопротивлениях R1 и R6 равных 240 Ом;

б) U_ВЫХ2 при сопротивлениях R1 и R6 равных 240 кОм.

Результаты измерений записать в таблицу 2.

Входное сопротивление ОУ определяется по формуле:

R_ВХ = (R1+R2) ∙ U_ВЫХ2 / (U_ВЫХ1- U_ВЫХ2), кОм,

где R1 и R2 равны 240 кОм.

Восстановить значение резисторов R1 и R2 до 240 Ом.

5.14 Выходное сопротивление измерять не надо, так как выходной каскад такой же, как и в предыдущей схеме.

5.15 Снять амплитудно-частотную характеристику ОУ2 K_U=F(f).

Характеристику так же получают методом экспресс анализа: в опции Analysis выбрать AC Frequence… В окне установить следующие значения:

Start frequency 100 Гц - начальная частота АЧХ;

End frequency 100 МГц - конечная частота АЧХ;

Sweep type Decade - шкала по оси частот;

Number of points 50 - число точек, в которых производится измерения;

Vertical scale log - логарифмическая шкала амплитуды;

Nodes in circuit 1 - вход 1;

Nodes for analysis 19 -точка выхода усилителя.

Анализ начинается с команды Simulate. Пример характеристики дан на рисунке П.2

При помощи курсора определить коэффициент передачи на разных частотах и заполнить таблицу 5 аналогичную таблице 3.