Усилители постоянного тока. Операционный усилитель

Лабораторная работа № 5

Тема Электронная схема усилителей

Цель работы - изучить свойства транзисторного усилительного, исследовать влияние обратных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Усилители постоянного тока. Операционный усилитель

Предназначены для усиления сигналов, которые изменяются медленно, а также и сигналов постоянного тока. Современные усилители постоянного тока (УПТ) усиливают сигналы в широком диапазоне частот и относятся к разряду широкополосных усилителей. Схема УПТ представлена на рис. 1. Резисторный распределитель R_Б1 + R_Б2 при отсутствии напряжения U_вх обеспечивает задание рабочей точки для транзистора VТ – U_БЕ0 и соответствующее значение выходного напряжения U_KЕ0 - При наличии на входе напряжения U_BX произойдет соответствующее изменение напряжения на выходе U_а = U_КЕ относительно значения U_КЕ0. Для обеспечение U_ВИХ= 0 при условиях U_ВХ= 0, сопротивление нагрузки R _н включено между коллектором транзистора (зажим а) и зажимом b распределителя напряжения R_1.

При этом U_ВИХ=U_ab=U_КЕ – U_В, где значение напряжения зажима b относительно общей точки - U_В можно нанести положением ползунка реостата R₁ Таким образом, в режиме покоя с U_ВХ =0 и U_{В =} U_КЕ0 получаем U_ВИХ=0 (І_н=0). Поскольку каскад является иінвертирующим при U_ВХ >0 на выходе получаем пропорциональное ему значение U_ВИХ <0, при U_ВХ <0 соответственно U_ВИХ >0.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с двумя входами и одним выходом (рис. 2, б). В роли входного в ОП используется усилительный дифференциальный каскад, использование которого повышает стабильность работы, а также увеличивает его возможности благодаря наличию двух входов: инвертирующего (ВХ1 на рис. 2,б обозначен кругом - символом инверсии - отрицание) и неинвертирующего (ВХ2).

Если подавать напряжение на ВХ1, выходное напряжение ОУ имеет обратную полярность (на рис. 2, а поданы соответствующие временные диаграммы - мгновенные значения напряжений) - инвертируется.

При использовании ВХ2 полярность напряжений на входе и выходе одинаковая (рис. 2,в).

Питание схемы осуществляется двумя источниками Е1 = -15В и Е2 = +15В, что обеспечивает возможность получения на выходе напряжения обеих полярностей (относительно общей точки схемы - СТ).

Амплитудная характеристика ОП (рис. 3) имеет линейную участок ав, где U_вих пропорций на U_вх, и участок насыщения при условии

 | U_вх | > | U_{вх нас} |.

Входное напряжение при этом составляет доли миливольта, что обусловлено достаточно высоким коэффициентом усиления ОУ.

Современные ОУ имеют следующие основные параметры:

 - коэффициент усиления по напряжению

К_U =10⁴-10⁵,

- входное сопротивление R_вх =10⁸-10¹² Ом

- выходное сопротивление R_вих =100-200 Ом,

- входной ток І_вх =10^-8 – 10^-10А.

Это позволяет в дальнейшем для анализа схем с операционным усилителем рассматривать его как “идеальный”, то есть усилитель, у которого: К_U =∞, R_вх = ∞, R_вих= 0, І_вх = 0.

Подобные усилители используются в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций суммирования, интегрирования и т.п. Откуда и происходит название - операционные усилители. Современные ОУ в интегральном исполнении являются функционально законченным элементом, на основании которого можно реализовывать различные электронные устройства.

Неинвертирующий усилитель (рис. 4) обеспечивает усиление входного напряжения U_вх без изменения полярности на выходе. Входное напряжение подано на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя на резистивный распределитель R₁ и R₂. На инвертирующий вход подано напряжение обратной связи U_ОС. Дифференцированное входное напряжение ОУ

U_Х =U_ВХ - U_ОС,

то есть обратная связь отрицательная. Если учитывать, что операционный усилитель идеальный { R_ВХ=∞, І_вх = 0), получаем

U_ОС = I_OC ^. R₁= U_ВИХ ^. R₁/(R₁ + R₂)₌β U_ВИХ,

где β= R₁/(R₁ + R₂)₌

Коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью (рис 4):

К_UOC = К_U/(1+β^.К_U) = 1 +. R₂/ R₁

Таким образом, усиление ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, зависит только от соотношения сопротивлений внешних резисторов и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Выбирая соответствующим образом значения сопротивлений резисторов R₁ и R₂, можно обеспечить необходимый коэффициент усиления. Так, если R₂ = 0 и R₁ = ∞, то β = 1 (стопроцентная отрицательная связь), получаем К_UOC =1 - Эта схема (рис. 5) получила название следящего ОУ и используется в качестве трансформатора сопротивлений (большой R_вх, и малый R_вих), когда источник U_ВХ имеет большое выходное сопротивление, а нагрузка малое входное.

Инвертирующий усилитель (рис. 6) наряду с усилением меняет полярность (фазу) сигнала на выходе по отношению к входному. Напряжение U_вх через резистор R₁  подано на инвертирующий вход ОУ, неинвертирующий вход соединен с общей точкой схемы. Входное напряжение идеального ОУ U_Х=0, (К_U = ∞). С учетом этого потенциал узла “ а ” (рис. 6) относительно общей точки схемы - малый (), то есть можно предположить, что точка “ а ” соединена с общей точкой. Поэтому ток на входе усилителя: I₁ = U_ВХ / R_1.  Ток в цепи обратной связи I_OC = U_ВИХ / R_2.  

В соответствии с первым законом Кирхгофа для узла “ а ”: I₁+ I_OC – I_ВХ= 0.

Положив I_ВХ =0 (ОУ идеальный), получаем I₁=- I_OC или U_ВХ / R₁= -U_ВИХ / R_2.  

Коэффициент усиления ОУ при этом: К_UOC = U_ВИХ/(U_ВХ1 = - R_2/ R₁

Знак «-» показывает, что фаза сигнала (на рис. 6 показаны положительные направления U_ВХ и U_ВИХ), меняется – то есть усилитель инвертирующий. Когда R_{2 =} R₁ - коэффициент усиления К_UOC = -1 – такой усилитель назван инвертором, и используется для изменения знака (фазы) напряжения.

Практическая часть

 

В настоящее время основным элементом электронного усилительного устройства является транзистор.

Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора (транзистор - дословно "преобразователь сопротивления"). Это свойство транзистора может быть использовано для различных преобразований электрических сигналов (усиление, генерирование, преобразователей формы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п.

В данной работе используется биполярный транзистор типа n-р-п, и имеющий два р- п- перехода.

На рис. 8 изображена схема подключения внешних элементов, генератора усиливаемого входного напряжения U_ВХ и  источника питания +U_n к выводам транзистора.

Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзисторов, так как в ней наилучшим образом используются усилительные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые используются реже

Рисунок 8

. Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.

По 2-му закону Кирхгофа для транзистора  можно записать

,

т.е. ток коллектора I_к меньше тока эмиттера I_Э на величину тока базы I_Б. Токи коллектора и эмиттера связаны между собой коэффициентом передачи тока

.

Величина всегда меньше единицы, однако, близка к ней. Для современных транзисторов = 0,900...0,999.

В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной явяется ток базы, а выходной - ток коллектора:

.

Коэффициент называют статическим коэффициентом усиления тока в схеме с ОЭ и значение его составляет приблизительно 10..1000 для различных типов транзисторов

Рисунок 9-Входные характеристики               Рисунок 10- Выходные

или коллекторные характеристики

Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзистора в схеме с ОЭ являются:

а) входные характеристики (рис. 9)

при

б) выходные или коллекторные характеристики (рис. 10)

при

Рисунок11 - Схема усилительного каскада

В исследуемом усилительном каскаде (см. рис. 11) применена ООС по току эмиттера, а резистор R₃ является элементом цепи обратной связи, которая необходима для стабилизации положения точки покоя при возможных изменениях температуры транзистора, т.е. используется эмиттерная температурная стабилизация. Она осуществляется введением в схему последовательной ООС по постоянному току эмиттера I_ЭП.

В режиме покоя, когда U_ВХ=0, с учетом I_Д>>I_БП для постоянных составляющих токов и напряжений по 2-му закону Кирхгофа можно записать

С изменением температуры изменится ток покоя транзистора I_КП, а, следовательно, и ток покоя эмиттера I_ЭП(например, возрастут при увеличении температуры). Смещение точки покоя на выходных характеристиках вверх вдоль линии нагрузки может привести к увеличению I_БП и U_БЭП, на входных характеристиках. Так как I_Д>>I_БП, можно полагать I_Д R2= const.

Очевидно уменьшение U_БЭП, а, следовательно, уменьшение I_БП, что приводит к снижению I_КП и к неизменности режима покоя.

Для исключения влияния ООС по переменному току на коэффициент усиления параллельно R_э включен конденсатор С_Э, емкость которого должна быть достаточно большой, чтобы реактивное сопротивление в полосе пропускания Х_CЭ << R_Э /10.

Если же С_Э отсутствует, то переменная составляющая тока эмиттера Iэ создает на резисторе R падение напряжения энергопотреблением.

  В настоящей лабораторной работе используется простейший ОУ типа 1Ш0УД1Л. На рис.12 показаны условные обозначения ОУ, графическое и буквенное, а на рис.13 - типовая схема его включения для реализации инвертирующего усилителя. Каждый внешний вывод ОУ имеет вполне определенное функциональное назначение. Один из входов ОУ называют инвертирующим (цифра 9 на рис.12), а второй - неинвертирующим (цифра 10). При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала тлеет обратный знак, противоположный по фазе входному. При подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают, т.е. сдвиг по фазе равен нулю.

 

Рисунок 12                                          Рисунок 13

Усилительные устройства на базе ОУ без отрицательной обратной связи не используются, в противном случае они, как правило, самовозбуждаются, т.е. превращаются в автогенератор произвольной частоты и формы. Поэтому инвертирующий вход ОУ предназначен для введения ООС.

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилительный каскад постоянного тока, выходным каскадом - эмиттерный повторитель тока. Применение двух разнополярных источников электропитания с общей точкой - U_n для ОУ позволяет получать напряжение U обеих полярностей относительно нулевой точки, а также обеспечить Uвых=0 при Uвх=0. Выполнение последнего условия называют балансировкой ОУ, и осуществляется оно с помощью дополнительных навесных, т.е. внешних элементов, подсоединяемых к соответствующим внешним выводам ОУ (как правило, это переменный резистор).

Основные показатели ОУ - это коэффициент усиления по напряжению Кц, полоса пропускания f, входное сопротивление R, выходное сопротивление U_вых. Идеальным ОУ называют такой усилитель, у которого вывод некоторых основных показателей ОУ, включенных по схеме инвертирующего усилителя (см. рис.12), выполнен в предположении того, что используемый в нашей работе ОУ типа К140УД1А является идеальным. В этом случае получаются очень простые выражения для показателей инвертирующего усилителя, а вносимая погрешность незначительна.

Найдем выражение для коэффициента усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, т.е. найдем

Для идеального ОУ имеем , следовательно, ; , т.е. , и тогда по 1-му закону Кирхгофа . Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа ; , следовательно, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением . Далее, , ; так как , получаем:

Знак "-" физически означает, что инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы выходного напряжения относительно входного, равный 180°, т.е. Uвх и Uвых находятся в противофазе.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя Rос определяется выражением:

Рисунок 14

Амплитудно-частотная характеристика реального операционного усилителя при отсутствии разделительных емкостей на входе в выходе представлена на рис. 14. В ней отсутствует снижение коэффициента усиления в области низких частот, что позволяет с помощью 07 усиливать медленно меняющиеся и постоянные сигналы (УНТ). Снижение коэффициента усиления в области высоких частот обусловлено частотными свойствами входящих в ОУ транзисторов, механизм воздействия которых на вид АЧХ рассматривался выше.

 

Задание:

Вопросы

Лабораторная работа № 5

Тема Электронная схема усилителей

Цель работы - изучить свойства транзисторного усилительного, исследовать влияние обратных связей на показатели усилителя, ознакомиться со свойствами усилителей, построенных на базе операционных усилителей.

Теоретическая часть

Усилители постоянного тока. Операционный усилитель

Предназначены для усиления сигналов, которые изменяются медленно, а также и сигналов постоянного тока. Современные усилители постоянного тока (УПТ) усиливают сигналы в широком диапазоне частот и относятся к разряду широкополосных усилителей. Схема УПТ представлена на рис. 1. Резисторный распределитель R_Б1 + R_Б2 при отсутствии напряжения U_вх обеспечивает задание рабочей точки для транзистора VТ – U_БЕ0 и соответствующее значение выходного напряжения U_KЕ0 - При наличии на входе напряжения U_BX произойдет соответствующее изменение напряжения на выходе U_а = U_КЕ относительно значения U_КЕ0. Для обеспечение U_ВИХ= 0 при условиях U_ВХ= 0, сопротивление нагрузки R _н включено между коллектором транзистора (зажим а) и зажимом b распределителя напряжения R_1.

При этом U_ВИХ=U_ab=U_КЕ – U_В, где значение напряжения зажима b относительно общей точки - U_В можно нанести положением ползунка реостата R₁ Таким образом, в режиме покоя с U_ВХ =0 и U_{В =} U_КЕ0 получаем U_ВИХ=0 (І_н=0). Поскольку каскад является иінвертирующим при U_ВХ >0 на выходе получаем пропорциональное ему значение U_ВИХ <0, при U_ВХ <0 соответственно U_ВИХ >0.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с двумя входами и одним выходом (рис. 2, б). В роли входного в ОП используется усилительный дифференциальный каскад, использование которого повышает стабильность работы, а также увеличивает его возможности благодаря наличию двух входов: инвертирующего (ВХ1 на рис. 2,б обозначен кругом - символом инверсии - отрицание) и неинвертирующего (ВХ2).

Если подавать напряжение на ВХ1, выходное напряжение ОУ имеет обратную полярность (на рис. 2, а поданы соответствующие временные диаграммы - мгновенные значения напряжений) - инвертируется.

При использовании ВХ2 полярность напряжений на входе и выходе одинаковая (рис. 2,в).

Питание схемы осуществляется двумя источниками Е1 = -15В и Е2 = +15В, что обеспечивает возможность получения на выходе напряжения обеих полярностей (относительно общей точки схемы - СТ).

Амплитудная характеристика ОП (рис. 3) имеет линейную участок ав, где U_вих пропорций на U_вх, и участок насыщения при условии

 | U_вх | > | U_{вх нас} |.

Входное напряжение при этом составляет доли миливольта, что обусловлено достаточно высоким коэффициентом усиления ОУ.

Современные ОУ имеют следующие основные параметры:

 - коэффициент усиления по напряжению

К_U =10⁴-10⁵,

- входное сопротивление R_вх =10⁸-10¹² Ом

- выходное сопротивление R_вих =100-200 Ом,

- входной ток І_вх =10^-8 – 10^-10А.

Это позволяет в дальнейшем для анализа схем с операционным усилителем рассматривать его как “идеальный”, то есть усилитель, у которого: К_U =∞, R_вх = ∞, R_вих= 0, І_вх = 0.

Подобные усилители используются в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций суммирования, интегрирования и т.п. Откуда и происходит название - операционные усилители. Современные ОУ в интегральном исполнении являются функционально законченным элементом, на основании которого можно реализовывать различные электронные устройства.

Неинвертирующий усилитель (рис. 4) обеспечивает усиление входного напряжения U_вх без изменения полярности на выходе. Входное напряжение подано на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя на резистивный распределитель R₁ и R₂. На инвертирующий вход подано напряжение обратной связи U_ОС. Дифференцированное входное напряжение ОУ

U_Х =U_ВХ - U_ОС,

то есть обратная связь отрицательная. Если учитывать, что операционный усилитель идеальный { R_ВХ=∞, І_вх = 0), получаем

U_ОС = I_OC ^. R₁= U_ВИХ ^. R₁/(R₁ + R₂)₌β U_ВИХ,

где β= R₁/(R₁ + R₂)₌

Коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью (рис 4):

К_UOC = К_U/(1+β^.К_U) = 1 +. R₂/ R₁

Таким образом, усиление ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, зависит только от соотношения сопротивлений внешних резисторов и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Выбирая соответствующим образом значения сопротивлений резисторов R₁ и R₂, можно обеспечить необходимый коэффициент усиления. Так, если R₂ = 0 и R₁ = ∞, то β = 1 (стопроцентная отрицательная связь), получаем К_UOC =1 - Эта схема (рис. 5) получила название следящего ОУ и используется в качестве трансформатора сопротивлений (большой R_вх, и малый R_вих), когда источник U_ВХ имеет большое выходное сопротивление, а нагрузка малое входное.

Инвертирующий усилитель (рис. 6) наряду с усилением меняет полярность (фазу) сигнала на выходе по отношению к входному. Напряжение U_вх через резистор R₁  подано на инвертирующий вход ОУ, неинвертирующий вход соединен с общей точкой схемы. Входное напряжение идеального ОУ U_Х=0, (К_U = ∞). С учетом этого потенциал узла “ а ” (рис. 6) относительно общей точки схемы - малый (), то есть можно предположить, что точка “ а ” соединена с общей точкой. Поэтому ток на входе усилителя: I₁ = U_ВХ / R_1.  Ток в цепи обратной связи I_OC = U_ВИХ / R_2.  

В соответствии с первым законом Кирхгофа для узла “ а ”: I₁+ I_OC – I_ВХ= 0.

Положив I_ВХ =0 (ОУ идеальный), получаем I₁=- I_OC или U_ВХ / R₁= -U_ВИХ / R_2.  

Коэффициент усиления ОУ при этом: К_UOC = U_ВИХ/(U_ВХ1 = - R_2/ R₁

Знак «-» показывает, что фаза сигнала (на рис. 6 показаны положительные направления U_ВХ и U_ВИХ), меняется – то есть усилитель инвертирующий. Когда R_{2 =} R₁ - коэффициент усиления К_UOC = -1 – такой усилитель назван инвертором, и используется для изменения знака (фазы) напряжения.