3.4. Задание на проведение исследований

1. По заданию преподавателя рассчитайте, соберите и настройте несколько схем стабилизаторов напряжения и тока.

2. В качестве сопротивления нагрузки стабилизаторов используйте набор резисторов с различными сопротивлениями.

3. При исследовании стабилизаторов напряжения снимите зависимости U_вых = f(U_вх) для различных R_н.

4. При исследовании стабилизаторов тока снимите зависимость I_н = f(R_н) при неизменном напряжении питания U_п. Проверьте возможность работы операционного усилителя в схеме, изображенной на рис. 3.7, с однополярным напряжением питания +U_п .

3.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать исследуемые схемы, теоретические соотношения для расчета стабилизаторов напряжения и тока и расчет исследуемых схем, результаты исследований стабилизаторов напряжения и тока, выводы.

3.6. Вопросы для самопроверки

1. Почему стабилизатор напряжения без ООС имеет падающую зависимость U_вых от тока нагрузки ?

2. Какие преимущества дает замена в стабилизаторе напряжения транзисторного балласта, состоящего из одного транзистора, на составной транзистор?

3. Можно ли в схеме стабилизатора напряжения с регулятором (рис. 3.4) иметь напряжение стабилизации стабилитрона ниже выходного напряжения стабилизатора?

4. В чем преимущества генераторов стабильного тока на основе токового зеркала по сравнению с другими схемами стабилизаторов тока?

5. Можно ли использовать биполярный транзистор вместо полевого транзистора в стабилизаторе тока с усилителем мощности?

Лабораторная работа №4 исследование основных схем на операционном усилителе

Цели работы – изучить свойства и приобрести навыки настройки схем инвертирующего и неинвертирующего усилительных каскадов на операционном усилителе (ОУ).

4.1. Исходные данные

1. В лабораторной работе используется ОУ типа TL072. Справочные данные на элемент приведены в приложении.

2. Для питания схем следует использовать стабилизированные напряжения U_п1 = +12 В и U_п2 = –12 В.

3. Выходное напряжение схемы необходимо контролировать с помощью цифрового мультиметра.

4.2. Основные теоретические сведения

В лабораторной работе исследуются две наиболее распространенные схемы включения операционного усилителя (ОУ) в линейном режиме усиления: инвертирующий и неинвертирующий усилители.

Инвертирующий усилитель (рис. 4.1, а) изменяет знак выходного напряжения U_вых по отношению к входному напряжению U_вх на противоположный.

Рис. 4.1. Усилители: а – инвертирующий, б – неинвертирующий

Коэффициент усиления k_u инвертирующего усилителя рассчитывается с помощью простого выражения:

k_u = U_вых / U_вх = – R₂/ R₁. (4.1)

“Минус” в правой части выражения (4.1) указывает на то, что знак выходного сигнала противоположен знаку входного сигнала, измеренного относительно общей точки схемы. Входное сопротивление инвертирующего усилителя численно равно R₁. Это вытекает из “золотого правила” для ОУ, работающих в линейном режиме усиления. По этому правилу разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ близка к нулю. Если это условие выполняется, то в схеме рис. 4.1, а потенциал инвертирующего входа ОУ находится вблизи нуля и тогда для источника входного сигнала резистор R₁ является сопротивлением нагрузки, включенным между этим источником и виртуальной общей точкой.

Выходное сопротивление усилителя (R’_вых) при наличии отрицательной обратной связи (ООС) зависит от приводимого в справочнике выходного сопротивления ОУ без ООС (R_вых) и от коэффициента обратной связи В, который рассчитывается по формуле делителя напряжения: В = R₁/ (R₁ + R₂). Опуская вывод формулы, приведем окончательный результат:

R’_вых ≈ (R_вых/ k_u0 )(1 + R₂/ R₁), (4.2)

где k_u0 – приводимый в справочнике коэффициент усиления ОУ без ООС.

Неинвертирующий усилитель на ОУ (рис. 4.1, б) сохраняет на выходе знак входного напряжения и его коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

k_u = U_вых / U_вх = 1 + R₂/ R₁. (4.3)

Входное сопротивление неинвертирующего ОУ равно значению R_вх, приводимому в справочнике для ОУ без ООС, а выходное сопротивление совпадает с R’_вых инвертирующего ОУ (4.2). Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель. Из (4.3) вытекает, что k_u= 1 при условии (R₂/ R₁) = 0. Данное условие легко выполнить, если закоротить выход ОУ с его инвертирующим входом и (или) удалить из схемы R₁. В соответствии с (4.2) повторитель обладает минимальным, практически нулевым, выходным сопротивлением и сохраняет при этом высочайшее входное сопротивление. Данное свойство повторителя широко используется на практике для согласования высокого выходного сопротивления некоторых источников сигнала с низким входным сопротивлением ряда усилителей.

Наряду с k_u0 и граничной частотой усиления качество ОУ определяется многими другими параметрами, в частности значениями напряжения смещения U_см и напряжения насыщения U_нас, коэффициентами ослабления синфазной помехи k_осф и температурного дрейфа напряжения смещения dU_см/dT.

В настоящей лабораторной работе исследуется статическая передаточная функция ОУ (рис. 4.2), из которой могут быть найдены U_нас и U_см.

О перационные усилители, выполненные на биполярных транзисторах, имеют обычно напряжение насыщения выходного сигнала U_нас на уровне 0,8…0,9 от напряжения питания U_п. Появившиеся в последние годы ОУ с полевыми транзисторами на выходе, именуемые “rail to rail”, позволяют иметь размах выходного сигнала от –U_п до +U_п.

Напряжение смещения U_см характеризует асимметрию входного дифференциального каскада ОУ. Его значение определяется качеством технологии изготовления ОУ, а знак зачастую непредсказуем. Для того чтобы обнаружить U_см, необходимо измерить выходной сигнал ОУ при отсутствии U_вх (рис. 4.3). Поскольку U_см обычно не превосходит нескольких милливольт, коэффициент усиления k_u при измерении U_см целесообразно задать высоким, например 500…1000.

При выборе номиналов резисторов для схем на ОУ необходимо руководствоваться следующими двумя условиями:

1) во избежание перегрузки усилителя общий ток, снимаемый с выхода ОУ, включая ток цепи обратной связи, не должен быть выше предельного значения, указанного в справочных данных на ОУ (иногда в справочнике в место I_{вых mах} указывают минимальное сопротивление нагрузки усилителя);

2) в целях обеспечения высокой температурной стабильности коэффициента усиления ток в цепи обратной связи ОУ должен многократно превышать входной ток усилителя. Для ОУ широкого применения это обычно выполняется при R₂ ≤ 1...2 МОм.