Изучение методов измерения основных параметров операционных усилителей Характеристики операционного усилителя.Цели: 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. Приборы и элементы: - вольтметр; - амперметр; - осциллограф; - функциональный генератор; - источник напряжения; - резисторы; - операционный усилитель LM 471. Паспортные данные ОУ LM741: • средний входной ток ОУ 0,08 мкА; • разность входных токов ОУ 0,02 мкА; • напряжение смещения ОУ 1 мВ; • входное сопротивление ОУ 2 Мом; • выходное сопротивление ОУ 75 Ом; • скорость нарастания выходного напряжения ОУ 0,5 В/мкс. Ход выполнения работ.
Эксперимент 1. Измерение входных токов. Создать файл со схемой, изображенной на рис. 1. Включить схему. Измерить входные токи ОУ. По результатам измерений вычислить средний входной ток Iвх и разность входных токов ОУ. Результаты занести в раздел "Результаты экспериментов". Рис. 12.1 Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения.
Создать файл со схемой, изображенной на рис. 2. Включить схему. Записать показания вольтметра в раздел "Результаты экспериментов". По результатам измерения, вычислить напряжение смещения Uсм, используя коэффициент усиления схемы на ОУ. Результаты вычислений также занести в раздел "Результаты экспериментов". Рис. 12.2 Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений. а). Создать файл со схемой, изображенной на рис. 3. Включить схему. Измерить входной ток Iвх и выходное напряжение Uвых, записать показания в раздел "Результаты экспериментов". Переключить ключ клавишей [Space]. Измерить входной ток после переключения ключа.
Рассчитать изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислить дифференциальное входное сопротивление ОУ. Результаты занести в раздел "Результаты экспериментов". б). Уменьшать сопротивление нагрузочного резистора R2 до тех пор, пока выходное напряжение Uвых не будет примерно равно половине значения полученного в п. а). Записать значение сопротивления R2, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению Uвых ОУ, в раздел "Результаты экспериментов". Рис. 12.3 Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ. Создать файл со схемой, изображенной на рис. 4. Включить схему. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения в раздел "Результаты экспериментов". По осциллограмме определить величину выходного напряжения, время его установления и вычислить скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Записать результат в раздел "Результаты экспериментов". Рис. 12.4 Результаты экспериментов. Эксперимент 1. Измерение входных токов. Ток неинвертирующего входа I1 = 0,07 мкА. Ток инвертирующего входа I2 = 0,09 мкА. Средний входной ток Iвх = (I1+ I2)/2 = 0,08 мкА. Разность входных токов ОУ ∆Iвх = I2 - I1 = 0,02 мкА Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения. Выходное напряжение усилителя Uвых = 1 В. Коэффициент усиления схемы Kу = R2/R1 = 1000. Напряжение смещения Uсм = ∆Uвых/ Kу = 1 мВ. Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений. а) Входной ток до переключения ключа (в мкА) Iвх1 = 0,075 мкА. Входной ток после переключения ключа Iвх2 = 0,066 мкА. Изменение входного напряжения ∆Uвх = Uвх1 - Uвх2 = 20 мВ. Изменение входного тока ∆Iвх = Iвх1 - Iвх2 = 0,009 мкА. Входное дифференциальное сопротивление Rвх.диф = ∆Uвх/∆Iвх = 2,2 МОм. б) Выходное напряжение Uвых = 20,84 мВ. Выходное сопротивление Rвых = 69 Ом. Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ. Выходное напряжение Uвых = 19,9 В. Время установления выходного напряжения tус = 36,8 мкс. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых = Uвых/ tус = 0,54 В/мкс. Рис.12.5 Осциллограмма к эксперименту 12.4 Вопросы: 1. Отличается ли измеренное значение среднего входного тока Iвх от его номинального значения для ОУ LM741, взятого из паспортных данных? Нет. Не отличается. 2. Существенно ли отличие разности входных токов от номинального значения для ОУ LM741? Полученная разность входных токов равна разности, указанной в паспорте ОУ. 3. Совпадают ли измеренное значение напряжения смещения с номинальным значением для ОУ LM741? Да. Совпадает. 4. Сравните величину измеренного входного сопротивления с паспортными данными на ОУ LM741. Измеренное входное сопротивление незначительно отличается от указанного в паспорте. 5. Сравните величину измеренного выходного сопротивления с паспортными данными на ОУ LM741. Полученный результат несколько меньше паспортных данных. 6. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи? Величина входного сопротивления на несколько порядков превышает величину выходного сопротивления.
Это необходимо для увеличения коэффициента передачи мощности.
Эквивалентные схемы идеального и реального ОУ приведены на рисунке 12.6.