Министерство образования Республики Коми Коми республиканский лицей при Сыктывкарском государственном университете

Министерство образования Республики Коми
Коми республиканский лицей при Сыктывкарском государственном
университете
Разработка модульного прибора для
проведения исследования
операционных усилителей
Выполнил: Данильченко Кирилл
Научный руководитель: Есева В.Ю.
Сыктывкар 2012
1
Содержание
стр
.
Введение……………………………………………………………….….…..3
1.Обозначения ОУ……………………………………………..………….….4
2.Основы функционирования………………………………...…….…...…..6
2.1.Питание ……………………………………………..……….…....6
2.2.Простейшее включение ОУ………………………………...........6
3.Классификация ОУ …………………………………………………….….8
3.1. По типу элементной базы…………………………………....….8
3.2.По области применения………………………..……...................8
3.3.Другие классификации…………………………….………...….10
4.Схемы и теория исследовательской части………………….….......…...11
4.1.Операционный усилитель как объект исследования….............11
4.2.Характеристики операционного усилителя и теория для их
получения………………………………………………………..…...……...12
5.Методы исследования…………………………………………..…...........19
Заключение………………………………………………….………….….23
Список литературы……………………………………………………......24
Приложения………………………………………………………..…..…..25
2
Ведение
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного
тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным
выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда
используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью,
которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью
определяет коэффициент передачи полученной схемы.
Тема исследования является актуальной, так как в настоящее время
ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в
виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных
схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является
универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на
основе которого можно построить множество различных электронных
узлов( к примеру логических элементов или устройств)[5].
Цель: разработать модульный прибор для проведения исследования
операционных усилителей.
Гипотеза: Модульная база прибора может сократить площадь
рабочего места, повысить производительность исследования и увеличить
диапазон применения данного устройства.
В данном исследовании были поставлены следующие задачи:
1)разработать: прибор, состоящий из блоков питания, вольтметров и
модульной испытательной платы для удобного подключения модулей,
специальные модули под прибор по принципиальным схемам и расчетным
формулам,
2)сделать: прибор и модули для исследования.
3)исследовать: все характеристики операционных усилителей:
LM358, TL071, TL084, LM324; частотную коррекцию ОУ,
4)построить графики и таблицы.
5)изучить прилегающую теорию по данному материалу.
3
1.Обозначения
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя.
Выводы имеют следующее
значение:

V+: неинвертирующий

V−: инвертирующий

Vout: выход

VS+: плюс источника
вход
вход
питания (также может обозначаться
как

,
, или
,
, или
)
VS−: минус источника питания (также может обозначаться как
)[6]
Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для
его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не
имеющие неинвертиующего входа[1]. В частности, такие ОУ находят применение
в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ,
принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют
только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители
высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в
составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных
коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения
смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие
обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.
Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ)
также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и
большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для
применения в составе электронных устройств установки коэффициентов,
инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях,
множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь
4
дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока
покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).
Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному
(см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не
рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями,
при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или
считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении
одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими
выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять
местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно;
выводы питания, как правило, всегда располагают единственным
способом (положительный вверху) [12].
5
2.Основы функционирования
2.1.Питание
В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник
питания имеет три вывода с потенциалами:

U+ (к нему подключается VS+)

0

U- (к нему подключается VS-)
Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ
обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и
используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного
используется более простое однополярное, а общая точка создаётся
искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.
ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников
питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при
двуполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U- = -15…-1,5 В, допускается
значительный перекос) [14].
2.2.Простейшее включение ОУ
Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то
есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом
случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то
есть поведение ОУ описывается следующим образом:
здесь

Vout: напряжение на выходе

V+: напряжение на неинвертирующем входе

V−: напряжение на инвертирующем входе

Gopenloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной
связи
Все напряжения считаются относительно общей точки схемы.
Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не
используется[2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:
6

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной
связи Gopenloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться
в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).

Коэффициент усиления очень велик (типичное значение
106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.

Точка отсчёта входного и выходного напряжений не
поддаются регулировке[7].
7
3.Классификация ОУ
3.1.По типу элементной базы

На полевых транзисторах

На биполярных транзисторах

На электронных лампах (устарели) [10]
3.2.По области применения
Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно
совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако
улучшить все параметры одновременно технически невозможно или
нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы
расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом
из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а
остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в
зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или
иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по
областям применения[14].

Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые,
очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками.
Пример "классических" ОУ: с биполярным входом - LM324, с полевым
входом - TL084.

Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения,
применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных
транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также
от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров.
Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные
прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30
мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.

С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ,
имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током.
Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным
током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании
8
устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку
тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10−14 А.

Микромощные и программируемые ОУ потребляют
малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть
быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое
быстродействие — взаимоисключающие требования.
Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи
покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на
специальный вывод ОУ.

Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой
ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше
стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.

Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении
питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.

Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания,
синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем
для ОУ широкого применения.

Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость
нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть
микромощными, и как правило выполнены на биполярных
транзисторах.

Малошумящие ОУ.

Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный
коэффициент гармоник (THD).

Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают
выходное напряжение, практически равное напряжению питания (railto-rail, R2R), биполярные ОУ - примерно на 1.2 В меньше, что
существенно при небольших значениях Ucc.

Специализированные ОУ. Обычно разработаны для
конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и
др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные
необходимые для этого прецизионные резисторы.
9
Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный
быстродействующий ОУ[8].
3.3.Другие классификации
По входным сигналам:

Обычный двухвходовый ОУ;

ОУ с тремя входами : третий вход, имеющий коэффициент передачи
+1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения
возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов
относительно входных, или возможность построения каскада
с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает
трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и
постоянный ток, что трансформатор не может.
По выходным сигналам:

Обычный ОУ с одним выходом;

ОУ с дифференциальным выходом[9]
10
4.Схемы и теория исследовательской части
4.1.Операционный усилитель как объект исследования
По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным
усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления
напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства
и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой,
свойства и параметры операционного усилителя определяются
преимущественно параметрами цепи обратной связи. Операционные
усилители выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевыми
значениями входного напряжения смещения нуля и выходного
напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом
усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Ранее
подобные высококачественные усилители использовались исключительно
в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких
математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и
произошло их название - операционные усилители.
В настоящее время операционные усилители выполняются, как
правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим
размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого
транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам
операционных усилителей реализация различных схем на их основе
оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому
операционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы
схем во многих областях линейной схемотехники.
Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит
для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания
их основных характеристик. Тем не менее для некоторых особых случаев
использования операционных усилителей необходимо знание их
внутренней структуры. Здесь рассматриваются основные параметры
операционных усилителей, и прежде всего те, которые используются для
описания реально выпускаемых элементов, приводятся основные
принципы построения схем на базе операционных усилителей с
11
использованием внешних обратных связей. Исследуются также границы
применимости идеализированных характеристик операционных усилителей[2].
12
4.2.Характеристики операционного усилителя и теория для их
получения
На рис. 6.1 дано схемное обозначение . операционного усилителя.
Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя,
так что операционный усилитель имеет два входа. В области низких
частот выходное напряжение И. находятся
Рис. 6.1. Схемное
обозначение операционного
усилителя.
в той же фазе, что и разность
входных напряжений:
Р-вход называется не инвертирующим и на схеме операционного
усилителя обозначается знаком «плюс». Ра-вход называется
инвертирующим и обозначается на схеме знаком «минус».
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя
как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами,
следует использовать двуполярное питающее на напряжение. для этого
необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 6.1, подключаются к соответствующим
внешним клеммам операционного усилителя. Как правило, стандартные
операционные усилители в интегральном исполнении работают с
напряжениями питания 15 В. На принципиальных схемах устройств
обычно изображают только их входные и Выходные клеммы.
В действительности, разумеется, не существует идеальных
операционных усилителей. для того чтобы можно было оценить,
насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу,
приводятся технические
характеристики усилителей.
Дифференциальный
коэффициент усиления
13
операционного усилителя
(6.1)
имеет конечную величину, которая лежит пределах от 104 до 105. Он
называется также собственным коэффициентом усиления операционного
усилителя, т. е. усиления при отсутствии обратной связи.
На рис. 6.2 показана типовая зависимость выходного напряжения
усилителя от UD. В диапазоне Uа мин < Uа < Uа макс оно зависит от UD почти
линейно. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления.
В области насыщения UD c ростом соответствующего увеличения
Uа не происходит. Границы области усиления Uа мин
И Uа макс отстоят
приблизительно на З В от соответствующих положительного и отрицательного
напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением
питания 15 В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению
составляет 12 В.
Передаточная характеристика идеального операционного усилителя
должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 6.2,
штриховой линией, для реальных операционных усилителей эта характеристика
несколько сдвинута. Таким образом, для того чтобы сделать выходное
напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя
некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется
напряжением смещения нуля Uo. Оно составляет обычно несколько милливольт
и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой
величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю
Рис. 6.2. Выходное
напряжение операционного
усилителя как функция разности
ВХОДНЫХ напряжений.
Пунктиром показана
характеристика. снятая без
компенсации напряжения смещения нулевой точки.
Поэтому во многих интегральных операционных усилителях
14
предусмотрены специальные клеммы.
После устранения напряжения смещения нуля остаются только его
возможные изменения в зависимости от времени, температуры и
напряжения питания:
В этой формуле различают следующие составляющие дрейфа:
—температурный дрейф, обычно от З до 10 мкВ/К ;
—временной дрейф, который может достигать нескольких
микровольт за месяц;
—дрейф, обусловленный изменением суммарного
напряжения питания.
Составляющаяхарактеризуется влиянием отклонения напряжения
питания от номинального значения на величину смещения нулевой точки
и составляет обычно 10-100 мкВ/В. Поэтому если требуется
минимизировать эту составляющую дрейфа, необходимо обеспечить
напряжение питания с точностью до нескольких милливольт.
В дальнейшем изложении будет предполагаться, что напряжение
смещения нуля скомпенсировано и равно нулю. Тогда из формулы (6.1)
следует
(6.2)
Таким образом, в пределах динамического диапазона выходное
напряжение операционного усилителя пропорционально разности
входных напряжений.
Если на Р- и N-входы подать одно и то же напряжение (..I,, то (Т не
изменит нулевого значения. В соответствии с выражением (6.2) выходное
напряжение Ua также должно остаться равным нулю. Однако, как уже
показано в разд. 4.7.1, для реальных дифференциальных усилителей это е
вполне соответствует действительности, те. коэффициент усиления
15
синфазного сигнала не строго равен нулю. Как видно из рис с 6.3. при некоторых
достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко
возрастает. Используемый диапазон выходного напряжения называется
областью ослабления синфазного сигнала.
Как правило, ее границы (по модулю) на 2 В ниже соответственно
положительного и отрицательного уровней напряжения питания. Неидеальность
операционного усилителя характеризуется параметром называемым
коэффициентом ослабления синфазного сигнала G= AD/AGl. Его типовые
значения составляют 104 - 105. Коэффициент усиления дифференциального
сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о
коэффициенте усиления синфазного сигнала AGl. Он может принимать как
положительные, так и отрицательные значения.
справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины G.
В формулах же величина G используется с учетом ее фактического
знака. Разумеется, если разработчика интересует только отличие данного
усилителя от идеального, которое характеризуется определенным значением
величины G, то ее знак не играет никакой роли.
При использовании понятия коэффициента усиления синфазного сигнала
требуется более точно определить коэффициент усиления дифференциального
сигнала AD через частную производную:
При этом для выходного напряжения получается выражение более общего
вида:
16
(6.3)
или
Из этих соотношений вытекает другое удобное определение
коэффициента ослабления синфазного сигнала. При ∆Ua= 0.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое
значение дифференциального входного напряжения ∆UD следует
приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление
синфазного сигнала на выходе усилителя.
Так как передаточные характеристики, изображенные на рис. 6.2 и
6.3, в рабочей области практически линейны, формулу
Рис. 6.3. Выходное напряжение операционного усилителя как
функция синфазного входного сигнала.
(6.3) с учетом напряжения смещения можно записать как или
(6.4)
При Uo → 0 и UGl 0 это соотношение принимает вид формулы (6.1).
Решение у равнения (6.4) относительно UD дает
(6.5)
Для идеального операционного усилителя Uo = 0, АD → 0 и G → 0.
Это означает, что теоретически, для того чтобы получить любое конечное
значение выходного напряжения Ua, необходимо приложить бесконечно
малое напряжение UD.
Как будет видно из следующей главы, операционный усилитель,
предназначенный для универсального использования, из соображений
устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и
17
фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно
выполняться по меньшей мере вплоть до частоты, при которой | А D I = 1. Для
Для выполнения этого требования схема операционного усилителя должна
содержать фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза. На рис. 6.4
представлена типичная частотная характеристика дифференциального
коэффициента усиления такого “частотно-скорректированного” операционного
усилителя.
В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления
такогоусилителя выражается следующей формулой:
(6.6)
Здесь А—предельное значение А л на нижних частотах. Выше частоты fgA
соответствующей границе полосы пропускания на уровне З дБ, модуль
коэффициента усиления АD обратно пропорционален частоте. Таким образом, в
этом диапазоне частот выполняется соотношение
(6.7) На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления 1
А о I = 1. Как следует из выражения (6.7), частота ]. равна произведению
коэффициента усиления на ширину полосы.
Входное сопротивление
Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного
сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального
сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие
иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя,
представленной на рис. 6.5. у операционных усилителей с биполярными
транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального
сигнала rD составляет несколько мегом, а входное сопротивление для синфазного
сигнала rGl несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер.
18
Рис. 6.4. Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.
Существенно большие значения имеют постоянные токи,
протекающие через входы операционного усилителя.
Входной ток при отсутствии сигнала
определяется по формуле
а входной ток смещения как
Рис. 6.5. Схема замещения для дифференциального и синфазного
входных сопротивлений и начального входного тока операционного
усилителя.
Для стандартных биполярных операционных усилителей начальный
входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных
усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых
транзисторах, он составляет всего несколько наноампер[2,11].
19
20
5.Методы исследования
Измерение частотных характеристик и прилегающих к ним:
1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя
и
резисторов
разных
сопротивлений
и
присоединили
его
к
испытательной плате.
2) Подключили систему стабилизированных блоков питания
модульного
прибора
к
обычному
лабораторному
БП,
подали
напряжение равное 27в.
3) С помощью переменных резисторов установили напряжение
питание на ОУ 15в.
4) Подключили к входу генератор частот, точный вольтметр, к
выходу – осциллограф, второй точный вольтметр.
5) Сняли частотные характеристики, напряжение смещение,
дифференциальный
коэффициент
потребляемый
ток,
область
максимальный
выходной
усиления,
ослабления
ток,
область
номинальный
синфазного
усиления
по
сигнала,
входному
напряжению, максимальное выходное напряжение, входной ток при
отсутствии сигнала, коэффициент ослабления синфазного сигнала,
используя
формулы
изложенные
в
главе
“Схемы
и
теория
исследовательской части”.
6) Меняя напряжение питания 5в, 10в, 15в изобразили для
наглядности графики коэффициента усиления ОУ при разных
напряжениях питания и разных резисторах нагрузки.
Измерение сопротивлений:
1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя
и
резисторов
разных
сопротивлений
и
присоединили
его
к
испытательной плате.
2) Подключили систему стабилизированных блоков питания
модульного
прибора
к
обычному
лабораторному
БП,
подали
напряжение равное 27в.
3) С помощью переменных резисторов установили напряжение
питание на ОУ 15в.
21
4) Подключили к входу + и – операционного усилителя точный
вольтметр и амперметр.
5) Подали на вход + ОУ напряжение равное 10в.
6) По закону Ома рассчитали синфазное входное сопротивление
7) Сняли точный вольтметр и амперметр и подсоединили один вывод
каждого к общему проводу(“земле”), затем другой вывод от каждого - к
входу + ОУ, потом – к – ОУ, и при этом измеряя сопротивления.
8) Было установлено, что оба измеренных сопротивления практически
не изменяются.
9) Все измеренные сопротивления возвели в степени с основаниями
равными 10 (как и сказано в вышеизложенной главе) и занесли результаты в
таблицу.
Измерение коэффициента ослабления изменения напряжения
питания:
1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя и
резисторов разных сопротивлений и присоединили его к испытательной
плате.
2)
Подключили
систему
стабилизированных
блоков
питания
модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение
равное 27в.
3) С помощью переменных резисторов установили напряжение
питание на ОУ 10в.
4) Подключили обычный вольтметр и генератор частот к входу, и
точный с незначительной нагрузкой – к выходу.
5) Подали на вход напряжение равное 1в, затем равное 11в, и при этом
снимали показания точного вольтметра.
6) С помощью интегральных формул, изложенных в главе о теории
исследования, рассчитали коэффициент ослабления изменения напряжения
питания, полученный результат занесли в таблицу.
Измерение дрейфа напряжения смещения:
22
1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя
и
резисторов
разных
сопротивлений
и
присоединили
его
к
испытательной плате.
2) Подключили систему стабилизированных блоков питания
модульного
прибора
к
обычному
лабораторному
БП,
подали
напряжение равное 27в.
3) С помощью переменных резисторов установили напряжение
питание на ОУ 10в.
4) Подключили генератор частот к входу, и точный вольтметр с
незначительной нагрузкой – к выходу.
5) Подали на вход напряжение равное 10в.
6) Предварительно модульный и другие приборы поставили на
стол, открыли форточку и остудили кабинет до нуля градусов цельсия,
для того чтобы все радиокомпоненты ОУ равномерно охладились.
7) Сняли показания точного вольтметра, закрыли форточку и
перешли в другое помещение.
8) Достали многофункциональный мультиметр и утюг.
9) Подключили утюг, и с помощью многофункциональный
мультиметра
измерили
температуру
утюга,
меняя
мощность
нагревательного элемента установили температуру равную 70 градусов
цельсия.
10)
Поставили
в
модуль
такой
же
ОУ,
с
комнатной
температурой.
11) Разогрели утюгом ОУ в течении 30 секунд, и сняли
показания с точного вольтметра.
12) С помощью интегральных формул, изложенных в главе о
теории исследования,
рассчитали дрейф напряжения смещения,
полученный результат занесли в таблицу.
Измерение коэффициента нелинейных искажений:
1) Взяли модуль состоящий из только операционного усилителя
и
резисторов
разных
сопротивлений
и
присоединили
его
к
испытательной плате.
23
2)
Подключили
систему
стабилизированных
блоков
питания
модульного прибора к обычному лабораторному БП, подали напряжение
равное 27в.
3) С помощью переменных резисторов установили напряжение
питание на ОУ 15в.
4) Подключили к входу ОУ генератор, к выходу измеритель
коэффициента нелинейных искажений с6-15.
5) Измерили коэффициент нелинейных искажений на разных частотах,
средний результат внесли в таблицу.
Также в работу были внесены и другие характеристики пока ещё не
изложенные в теории, но обозначенные в введении. Для примера две
характеристики выведены в главе “Приложения”, исследованных с помощью
осциллографа, точных вольтметров и специальных формул. Таковыми
являются графики: график вспомогательного напряжения для реализации
косинусной функции и график формирования скважности импульсов на
частоте 80кГц (функция умножения).
Измерение
погрешностей
происходило
при
помощи
ниже
изложенной таблицы:
Формула для физической величины
Формула для относительной
погрешности
𝐀 = 𝐁𝐂𝐃
𝑨=
𝐁
𝐂𝐃
𝐸=
A=B+C
𝐂
𝐀 = 𝐁√
𝐃
∆𝐵 ∆C ∆D
+
+
𝐵
𝐶
𝐷
𝐸=
E=
∆B + ∆C
B+C
∆𝐵 1 ∆C 1 ∆D
+
+
𝐵
2 𝐶 2 𝐷
24
Заключение
В ходе выполнения вышеизложенных исследований мы
проделали следующие операции:
1)изучена теория основ и устройств на операционных усилителях
2)разработан и собран удобный модулированный прибор
3)рассчитано и сделано множество модулей, которые могут быть
использованы для исследования принципов действия ОУ и приборов, в
которых ОУ – ключевой элемент
4)сняты характеристики (построены графики и таблицы)
изложенные в методах решения.
В ходе исследования были сделаны следующие выводы:
1)характеристики исследуемых ОУ соответствуют теории;
2)разные операционные усилители в схемах приборов практически
аналогичны по своим параметрам, однако есть различия между: полосой
пропускания, входным смещением, максимальными параметрами и
скоростью нарастания напряжения;
3)операционные усилители удобно использовать для расчета
логических выражений.
4)модульность прибора способствует повышению
производительности
5)исследование операционных усилителей удобно проводить на
данном приборе, используя данные модули, поскольку в задней части
прибора есть все выводы с микросхем (входы и выходы), позволяющие
удобно подключать различные приборы, избегая запутывания проводов.
6) Также в приборе есть система состоящая из восьми
стабилизированных блоков питания и восьми вольтметров, измеряющих
напряжение питания. Такая система позволяет вместить все приборы для
исследования всего на одну парту, вместо 8-16-ти парт.
25
Список литературы
1
Авербух В.Д. Операционные усилители и компараторы: М.
Издательство “Додэка-ХХI”. 2001.
2
Алексеев А. Г., Войшвилло Г. В. Операционные усилители и их
применение: М. Издательство “Радио и связь”. 1989.
3
Даниленко
Б.П.,
Манкевич
И.И.
Справочное
пособие:
отечественные и зарубежные магнитофоны: М. Издательство “Беларусь”. 1994.
4
Достал И. Операционные усилители: М. Издательство ”Мир”. 1982.
5
Кустов О. В., Лундин В. 3. Операционные усилители в линейных
цепях: М. Издательство “Связь”. 1978.
6
Марше Ж. Операционные усилители и их применение: М.
Издательство «Энергия». 1974.
7
Нестеренко
Б.К.
Интегральные
операционные
усилители:
Справочное пособие по применению: М. Издательство “Энергоиздат”. 1982.
8
Перебаскин А.В., Бахметьев А.А.. Колосов С.О., Исаев В.Ф.,
Перебаскинз М.В. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1: М.
Издательство "ДОДЭКА" .1993.
9
Полонников
Д.Е.
Электроника:
М.
Издательство
“Энергоатомиздат”. 1983.
10
Протопопов А.С. Усилители с обратной связью, дифференциальные
и операционные усилители и их применения: М. Издательство “Сайнс-Пресс”.
2003.
11
Терещук
Р.М.,
Терещук
К.М.,
Седов
С.А.
Справочник
радиолюбителя: Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Киев,
Издательство “Наукова думка”. 1981.
12
Титце
У.,
Шенк
К.
Полупроводниковая
схемотехника:
М.
Издательство “МИР”. 1982.
13
Чистяков Н.И. Справочник радиолюбителя конструктора: М.
Издательство”Радио и связь”. 1983.
14
Фолькенберри
Л.
Применения
операционных
усилителей
и
линейных ИС: М. Издательство “Мир”. 1985.
26
Приложения
Приложение №1
Табличные характеристики TL071
Измеряемая величина
Результаты измерений
Входное напряжение смещения
8,2 мВ
Дифференциальный коэффициент
усиления
2*105
Максимальное значение полосы
пропускания при ослаблении -3дБ
250 кГц
Минимальная частота работы ОУ
0 Гц
и максимальная
10 мГц
Синфазное входное сопротивление
1012 Ом
Дифференциальное входное
сопротивление
1010 Ом
Входной ток при отсутствии сигнала
≈ 2мА
Область ослабления синфазного сигнала ± 13,5 В
Дрейф напряжения смещения
≈ 10 мкВ/К
Коэффициент ослабления изменения
напряжения питания
≈ 10 мкВ/В
Область усиления по входному
напряжению
11 В
Номинальный потребляемый ток
± 12 мА
Максимальный выходной ток
71 мА
Коэффициент нелинейных искажений
≈ 0,03 %
Максимальное выходное напряжение
13,5 В
Коэффициент ослабления синфазного
сигнала
105
27
График выходного напряжения ОУ TL071 как функция разности
входных напряжений с компенсацией напряжения
15
10
5
-135
-129
-123
-108
-99
-90
-80
-72
-63
-54
-42
-35
-27
-18
-10
0
10
18
27
35
41
54
63
72
81
91
99
108
121
128
135
0
-5
-10
-15
График выходного напряжения ОУ TL071 как функция разности входных
напряжений без компенсации напряжения
15
10
5
-125
-119
-113
-98
-89
-80
-70
-62
-53
-44
-32
-25
-17
-8
0
10
20
28
37
45
51
64
73
82
91
101
109
118
131
138
145
0
-5
-10
-15
28
Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного
входного сигнала TL071
15
10
5
0
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
-5
-10
-15
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента
усиления TL071 при выходном сопротивлении 2кОм.
30
25
20
15
10
5
0
29
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента
усиления TL071 при выходном сопротивлении 10кОм.
10m
8m
6m
4m
2m
500k
100k
50k
10k
5k
1k
500
100
30
25
20
15
10
5
0
30
Приложение №2
Табличные характеристики TL084
Измеряемая величина
Результаты измерений
Входное напряжение смещения
10,6 мВ
Дифференциальный коэффициент
усиления
2*105
Максимальное значение полосы
пропускания при ослаблении -3дБ
250 кГц
Минимальная частота работы ОУ
0 Гц
и максимальная
10 мГц
Синфазное входное сопротивление
1012 Ом
Дифференциальное входное
сопротивление
1010 Ом
Входной ток при отсутствии сигнала
≈ 2мА
Область ослабления синфазного сигнала ± 15(12)В
Дрейф напряжения смещения
≈ 10 мкВ/К
Коэффициент ослабления изменения
напряжения питания
≈ 10 мкВ/В
Область усиления по входному
напряжению
12 В
Номинальный потребляемый ток
± 12 мА
Максимальный выходной ток
71 мА
Коэффициент нелинейных искажений
≈ 0,03 %
Максимальное выходное напряжение
14 В
Коэффициент ослабления синфазного
сигнала
105
31
График выходного напряжения ОУ TL084 как функция разности входных
напряжений с компенсацией напряжения
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
График выходного напряжения ОУ TL084 как функция разности входных
напряжений без компенсации напряжения
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
32
Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного
входного сигнала TL084
20
15
10
5
0
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
-5
-10
-15
-20
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления
TL084 при выходном сопротивлении 2кОм
30
25
20
15
10
5
0
33
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления
TL084 при выходном сопротивлении 10кОм.
10m
8m
6m
4m
2m
500k
100k
50k
10k
5k
1k
500
100
30
25
20
15
10
5
0
34
Приложение №3
Табличные характеристики LM324
Измеряемая величина
Результаты измерений
Входное напряжение смещения
5,9 мВ
Дифференциальный коэффициент
усиления
5*105
Максимальное значение полосы
пропускания при ослаблении -3дБ
2,5 кГц
Минимальная частота работы ОУ
0 Гц
и максимальная
1 мГц
Синфазное входное сопротивление
1011 Ом
Дифференциальное входное
сопротивление
5*107 Ом
Входной ток при отсутствии сигнала
≈ 2,7 мА
Область ослабления синфазного сигнала ± 11 В
Дрейф напряжения смещения
≈ 21 мкВ/К
Коэффициент ослабления изменения
напряжения питания
≈ 3 мкВ/В
Область усиления по входному
напряжению
13,5 В
Номинальный потребляемый ток
± 12 мА
Максимальный выходной ток
50 мА
Коэффициент нелинейных искажений
≈ 0,03 %
Максимальное выходное напряжение
13,5 В
Коэффициент ослабления синфазного
сигнала
106
35
График выходного напряжения ОУ LM324 как функция разности входных
напряжений с компенсацией напряжения
15
10
5
0
-5
-10
-15
График выходного напряжения ОУ LM324 как функция разности входных
напряжений без компенсации напряжения
15
10
5
0
-5
-10
-15
36
Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного
входного сигнала LM324
15
10
5
0
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
-5
-10
-15
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления
LM324 при выходном сопротивлении 2кОм.
16
14
12
10
8
6
4
2
9m
10m
8m
7m
6m
5m
4m
3m
2m
1m
500k
250k
100k
75k
50k
25k
10k
7,5k
5k
2,5k
1k
750
500
250
100
0
37
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления
LM324 при выходном сопротивлении 10кОм.
16
14
12
10
8
6
4
2
10m
9m
8m
7m
6m
5m
4m
3m
2m
1m
500k
250k
100k
75k
50k
25k
10k
7,5k
5k
2,5k
1k
750
500
250
100
0
38
Приложение №4
Табличные характеристики LM358
Измеряемая величина
Результаты измерений
Входное напряжение смещения
7 мВ
Дифференциальный коэффициент
усиления
105
Максимальное значение полосы
пропускания при ослаблении -3дБ
10 кГц
Минимальная частота работы ОУ
0 Гц
и максимальная
1 мГц
Синфазное входное сопротивление
1011 Ом
Дифференциальное входное
сопротивление
5*107 Ом
Входной ток при отсутствии сигнала
≈ 2,7 мА
Область ослабления синфазного сигнала ± 11 В
Дрейф напряжения смещения
≈ 7 мкВ/К
Коэффициент ослабления изменения
напряжения питания
≈ 4 мкВ/В
Область усиления по входному
напряжению
13,5 В
Номинальный потребляемый ток
± 12 мА
Максимальный выходной ток
50 мА
Коэффициент нелинейных искажений
≈ 0,03 %
Максимальное выходное напряжение
13,7 В
Коэффициент ослабления синфазного
сигнала
3*104
39
График выходного напряжения ОУ LM358 как функция разности входных
напряжений с компенсацией напряжения
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
График выходного напряжения ОУ LM358 как функция разности входных
напряжений без компенсации напряжения
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
40
Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного
входного сигнала LM358
20
15
10
5
0
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
-5
-10
-15
-20
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента
усиления LM358 при выходном сопротивлении 2кОм.
16
14
12
10
8
6
4
2
10m
9m
8m
7m
6m
5m
4m
3m
2m
1m
500k
250k
100k
75k
50k
25k
10k
7,5k
5k
2,5k
1k
750
500
250
100
0
41
Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента
усиления LM358 при выходном сопротивлении 10кОм.
16
14
12
10
8
6
4
2
10m
9m
8m
7m
6m
5m
4m
3m
2m
1m
500k
250k
100k
75k
50k
25k
10k
7,5k
5k
2,5k
1k
750
500
250
100
0
42
Приложение №5
Фотография основных внутренностей прибора со снятой крышкой
43