Исследование операционных усилителей

Цель работы

Цель работы – ознакомление с характеристиками и параметрами операционных усилителей без обратной связи и с обратными связями. Исследование применений операционных усилителей в качестве сумматоров, интеграторов и дифференциаторов.

Задание для самостоятельной подготовки к работе

1. Объяснить принцип действия операционного усилителя (ОУ).

2. Перечислить основные параметры и характеристики ОУ.

3. Назвать возможные области применения электронных усилителей.

4. Определить полосу пропускания ОУ.

5. Установить различие формул коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего ОУ.

 

Теоретическая часть

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами при работе с отрицательными обратными связями.

В настоящее время промышленность выпускает операционные усилители второго и третьего поколений, построенные по двухкаскадной схеме. Эти ОУ по своим основным параметрам значительно превосходят операционные усилители первого поколения, создаваемые по трехкаскадной схеме.

Основу всех ОУ составляют дифференциальные каскады. Первый каскад обеспечивает коэффициент усиления, достигающий нескольких сотен тысяч. Входной каскад, в котором часто используются полевые транзисторы, обеспечивает входные характеристики ОУ, в частности его высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или АВ). Он служит для согласования высокого выходного сопротивления первого дифферен­циального каскада ОУ с низкоомным нагрузочным устройством. Поэтому ОУ имеет низкое выходное сопротивление. Кроме того, в состав современных ОУ входят цепи защиты по входу от перенапряжений и по выходу от превышения выходного тока, а также цепи компенсации влияния температуры.

В настоящее время операционные усилители, изготовляемые по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми аналоговыми устройствами. ОУ широко применяются не только в усилителях, но также в различных генераторах, преобразователях, стабилизаторах напряжения, компараторах, источниках эталонных напряжений, активных фильтрах, электронных ключах и т. д.

Широкие функциональные возможности при небольшом числе стандартных типов ОУ, выпускаемых промышленностью, достигаются за счет включения разнообразных внешних цепей обратных связей. Наибольшее распространение получили интегральные полупроводни­ковые ОУ, обладающие наименьшими габаритами и массой, способные работать в диапазоне температур от - 60 до +125°С. Они имеют коэффициент усиления 10⁶ и более при усилении сигналов частотой от нуля до единиц мегагерц. На работу подобных ОУ весьма слабо влияют такие дестабилизирующие факторы, как изменения температуры и питающего напряжения. Современные ОУ относительно дешевы и доступны для широкого применения, что обеспечивается их массовым автоматизированным изготовлением. Надежность операционного усилителя, включающего в себя несколько сотен элементов и более, соответствует надежности отдельного транзистора, что обеспечивается интегральной технологией, при которой все элементы (транзисторы, диоды, резисторы и др.) и соединения между ними выполняются в едином технологическом цикле. Как показывает практика, срок службы хорошего полупроводникового интегрального ОУ может превысить 20 лет. На рис. 4.1, а приведено условное обозначение операционного усилителя. Как видно, ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход является неинвертирующим, так как напряжение на нем и выходное напряжение совпадают по фазе.

Выводы, к которым подключаются источники питающего напряжения + U_ИП и – U_ИП, а также вспомогательные цепи на принципиальных схемах обычно не обозначают. При необходимости выводы ОУ, к которым подключаются, например, источники напряжения, изображают, как показано на рис. 4.1, б. На рис. 4.2 изображена одна из важнейших характеристик - амплитудная (передаточная) характеристика ОУ, представляющая собой зависимость U_ВЫХ = f (U_ВХ) при нулевой частоте. Кривая 1 соответствует подаче входного напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 - на неинвертирующий вход. Эти характеристики получают при подаче входного напряжения на один из входов при отсутствии напряжения на другом входе.

Рис. 4.1. Условное графическое обозна­че­ние операционного усилителя без источни­ков питания (а) и с источником питания (б)

Рис. 4.2. Амплитудная (передаточная) характеристика ОУ

Наклонный (линейный) участок кривых подчеркивает линейность зависимости U_ВЫХ = f (U_ВХ). Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму работы ОУ, при котором входное напряжение выходит за пределы линейного участка передаточной характеристики. Значения исходного напряжения U⁺_ВЫХmax и U^–_ВЫХmax, на этих участках, обычно на 1 – 2 В меньше напряжения питания.

Знание параметров интегральных ОУ позволяет быстро и грамотно спроектировать различные электронные блоки и устройства, а также предотвратить выход их из строя, т. е. работу в недопустимых режимах.

Современные ОУ имеют следующие основные параметры:

1. Коэффициент усиления КU. Представляет собой отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его приращению входного напряжения. В современных ОУ КИ при нулевой частоте достигает значений от десятков и сотен тысяч до нескольких миллионов. По углу наклона линейного участка амплитудной характеристики определяют коэффициент усиления.

Коэффициент усиления ОУ зависит от изменения напряжения питания, тока нагрузочного устройства, температуры окружающей среды. По этой причине ОУ (за исключением компараторов) не применяют без цепей внешней обратной связи, которые стабилизирует коэффициент усиления.

2. Напряжение смещения UСМ. Определяется входным напряжением, при котором выходное напряжение равно нулю (рис. 4.2). Напряжение смещения появляется вследствие разброса параметров элементом ОУ или изменений режимов работы входных транзистором за счет рассогласования во входных цепях ОУ. Обычно в ОУ широкого применения U_СМ = 5–20 мB. Напряжение смещения зависит от темпера­туры и напряжения источника питания. Изменение U_СМ в зависимости от температуры для ОУ широкого применения составляет примерно 50 мкВ/град. Для устранения напряжения смещения на входе ОУ вводят специальные электрические цепи.

3. Входной ток IВХ. Это ток во входной цепи ОУ, который может составить 0-100 мкА. Его необходимо учитывать при подключении к обоим входам ОУ внешних электрических цепей. Если сопротивления внешних электрических цепей по инвертирующему и неинвертирующему входам неодинаковые, то разность падений напряжений на них вызовет дополнительные напряжения, складывающиеся с напряжением смещения. Для исключения этого сопротивления этих выводов стремятся сделать равными.

4. Входное сопротивление RВХ. Различают входные сопротивления для дифференциального сигнала (RВХ.Д) и синфазного сигнала (RВХ.СФ) Для получения большего входного сопротивления первый каскад ОУ выполняют на полевых транзисторах; R_ВХ.Д имеет значение от нескольких килоОм для биполярных транзисторов до нескольких единиц и десятков мегаОм для полевых транзисторов, a R_ВХ.СФ >100 МОм.

5. Выходное сопротивление R_ВЫХ. Это сопротивление, измеренное со стороны нагрузочного устройства, представляет собой выходное сопротивление выходных каскадов ОУ, построенных на эмиттерных повторителях. Rвых = 20 – 2000 Ом.

Усиление сигналов различных частот определяется амплитудно-частотной характеристикой ОУ (рис. 4.3), а усиление импульсных (обычно прямоугольных) сигналов скоростью нарастания выходного напряжения. В соответствии с этим вводят динамические параметры ОУ:

Рис. 4.3. Амплитудно-частотная характеристика ОУ

 

1) частоту срезa fСРЕЗ, значению которой соответствует снижение модуля коэффициента усиления ОУ в раза (3 дБ);

2) частоту единичного усиления f1, при которой модуль, коэффициента усиления ОУ уменьшается до единицы (для современных ОУ f1 = 15 – 20 МГц);

3) максимальную скорость нарастания выходного напряжения VUвых определяющую наибольшую скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии прямоугольного входного импульса; скорость нарастания определяется как отношение ∆UВЫХ к ∆t (для современных ОУ V_Uвых = 0,1–100 В/мкс);

4) время установления tУСТ, определяющее изменение выходного напряжения ОУ от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося выходного напряжения при воздействии на вход прямоугольного импульса (для ОУ широкого применения tУСТ = 0,05 – 2 мкс).

Одним из важных достоинств ОУ является подавление синфазных помех. Поэтому ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазных сигналов КОС.СФ=20×lg (КСФ /КU) (для ОУ общего назначения КОС.СФ = 70 –120 дБ).

Выпускаемые в настоящее время интегральные ОУ классифицируют по следующим группам:

- ОУ общего назначения, составляющие наиболее многочисленную группу универсальных ОУ;

- прецизионные ОУ, позволяющие поддерживать с высокой точностью большой коэффициент усиления КU; они имеют высокое входное сопротивление и малое напряжение смещения (UСМ ≤ 0,5 мВ); типичным прецизионным ОУ является интегральная микросхема 153УД5;

- быстродействующие ОУ, характеризующиеся повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления; они имеют частоту единичного усиления 15 - 20 МГц (например, ОУ КР544УД2);

- микромощные ОУ, потребляющие наименьшую энергию от источ­ника питания (например, ОУ 140УД12, I_ПОТР < 0,18 мА при U_ИП = ±6 В). Наиболее широко используются ИМС серий 140 и 153.

Операционные усилители рассчитаны на применение симметричных разнополярных источников питания напряжением от ±5 до ±27 В. В настоящее время чаще всего используют напряжения ±5 и ±15 В с допускаемым отклонением ±(5 –10)%.

Применение подобных источников питания упрощает задачу компенсации смещения нуля ОУ и предотвращает появление ненужной постоянной составляющей тока в нагрузочном устройстве.

Для анализа работы ОУ часто пользуются схемой замещения, изображенной на рис. 4.4. Входная часть схемы замещения определяется входным дифференциальным сопротивлением R_ВХ.Д, a выходная часть содержит источник ЭДС K_U (f)· U_ВХ и резистивный элемент с сопротивлением R_ВЫХ.

Для удобства расчетов устройств с ОУ вводят понятие идеального ОУ, у которого:

- коэффициент усиления стремится к бесконечности в бесконечно широкой полосе частот;

- входное дифференциальное со­противление R_ВХ.Д стремится к бес­конечности;

- выходное сопротивление R_ВЫХ стремится к нулю;

-выходное напряжение равно нулю при нулевом входном напряжении.

При использовании ОУ в качестве инвертирующего усилителя (рис. 4.5, а) выходное напряжение сдвинуто по отношению к входному на 180°.

Рис. 4.5. Схема инвертирующего усилителя (а) и инвертирующего усилителя с «выравнивающим» резистором (б)

Входное напряжение U_ВХ подается на инвертирующий вход через резистор R₁. С помощью резистора R_ОС осуществляется отрицательная параллельная обратная связь по напряжению. Неинвертирующий вход усилителя при этом заземлен. В соответствии с первым законом Кирхгофа для узла а уравнение для токов записывается в виде:

I_ВХ =I_ОС+I_ОУ.

Анализ рассматриваемой схемы включения ОУ значительно упрощается при допущении, что ОУ идеален. Тогда при любом значении R_н≠0 и конечном значении выходного напряжения (оно не может быть больше напряжения питания ОУ) входное напряжение будет равно нулю. В этом случае инвертирующий и неинвертирующий входы при U_ВХ=0 как бы замкнуты накоротко. Это так называемое виртуальное замыкание. В отличие от обычного короткого замыкания при виртуальном замыкании ток между входами ОУ отсутствует, т.е. I_ОУ = 0 и I_ВХ = I_ОС. Тогда U_ВХ= R₁∙I_ВХ и U_вых= R_ОС∙I_ОС.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя

. (4.1)

Знак «–» в выражении (4.1) означает, что в инвертирующем усилителе входное и выходное напряжения находятся в противофазе.

Нетрудно убедиться, что входное сопротивление инвертирующего усилителя:

.

Выходное сопротивление:

.

При К_U →∞ значение R_ВЫХ.ОС будет стремиться к нулю. Для устране­­ния различия сопротивлений во входных цепях по инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ, вызванного подключением к инвертиру­ющему входу резисторов R₁, R_ОС, в цепь неинвертирующего входа включают резистор сопротивлением R₂ = R_ОС /(R₁+R_ОС) (рис. 4.5, б).

Если входной сигнал подать на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход с помощью цепи обратной связи R₁, R_ОС, подать часть выходного напряжения, т. е. осуществить последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, то получится неинвертирующий усилитель (рис. 4.6). При таком виде обратной связи в соответствии со вторым законом Кирхгофа для входной цепи уравнение запишется так:

.

Вследствие «виртуального замы­ка­ния» инвертирующего и неинверти­рую­щего входов U₀ = 0 и тогда

.

Коэффициент усиления неинвер­ти­рующего усилителя

.

Входное сопротивление этого усилителя

. (4.2)

При К_U →∞ входное сопротивление стремится к бесконечности. Из формулы (4.2) видно, что входное сопротивление неинвертирующего усилителя довольно большое. Отметим, что значение R_ВХ.ОС у неинвертирующего усилителя значительно больше, чем у инвертирующего. Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя:

.

При К_U → ∞ выходное сопротивление стремится к нулю.

Учитывая, что у неинвертирующего усилителя сопротивление R_{ВХ.Д .} очень большое, a R_ВЫХ.ОС мало, такой усилитель применяют часто как согласующий элемент при работе с высокоомным источником сигнала и низкоомным нагрузочным устройством.

Обычно для усилителей большое входное сопротивление не нужно, так как при этом они оказались бы весьма чувствительными к изменениям входного тока флуктуационного происхождения. Поэтому во входную цепь усилителя включают резистор сопротивлением R₂<<R_ВХ.Д, который и должен определять входное сопротивление неинвертирующего усилителя. Значение сопротивления R₂ выбирают в пределах 0,5 –1 МОм.

Устранение U_см в усилителях на ОУ производится чаще подключением потенциометра R_БАЛ к специальным выводам ОУ.

Как отмечалось, на основе двух ОУ - инвертирующего и неинвертирующего - при использовании различных цепей обратных связей строят разнообразные электронные устройства. На основе инвертирующего усилителя можно построить сумматор (рис. 4.7).

Если по-прежнему считать ОУ идеальным, то при подаче на инвертирующий вход ОУ через резисторы R₁, R₂,..., R_n входных напряжений U₁, U₂, …, U_n выходное напряжение в соответствии с выражением (4.1) будет равно сумме входных напряжений:

U_ВЫХ = –R_ОС / R_О∙(U₁+U₂+…+U_n),

где , R_О < R_ВХ.Д..

Рис. 4.7. Схема сумматора на ОУ

Если в инвертирующем усилителе (см. рис. 4.5, б) резистор R_ОС заменить конденсатором С_ОС, то получится интегратор (рис. 4.8).

Действительно, u_ВЫХ =R₁∙i_ВХ, а u_ВЫХ= u_С. Так как

, то .

Следовательно

.

При замене резистора R1 конденсатором C1 схема рис. 4.5, б превращается в схему дифференциатора (рис. 4.9).

Так как U_ВХ =U_С, a U_ВЫХ = –R_ОС∙i_ОС,

то, учитывая, что получим:

.

Рис. 4.8. Схема интегратора на ОУ

Рис. 4.9. Схема дифференциатора на ОУ

Как известно из электротехники, в интегрирующих и дифференцирующих RC -цепях степень точности интегрирования и дифференцирования входного сигнала зависит от степени выполнения неравенства U_ВЫХ << U_ВХ. Чем точнее RC -цепь производит ту или иную названную операцию, тем меньше должно быть выходное напряжение.