Исследование основных схем включения

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ

ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

 

Цель работы: изучение основных характеристик операционного усилителя (ОУ), основных усилительных схем на ОУ, методов расчета усилителей на ОУ, методов экспериментального анализа усилителей на ОУ.

Методические указания: работа выполняется студентами за четыре часа аудиторных занятий.

 

 

Лабораторная работа состоит из двух этапов:

1. Самостоятельная (вне лабораторных занятий) подготовка к выполнению работы, включающая изучение теоретических сведений, письменные ответы на контрольные вопросы, моделирование с использованием программы EWB амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя с различными коэффициентами усиления, оформление бланка отчета.

2. Практическая часть, включающая проведение экспериментов и их обработку во время лабораторных занятий.

 

 

Краткие теоретические сведения

 

Общие характеристики

 

Операционные усилители были созданы для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.

Первый ламповый операционный усилитель создан в 1942 году, транзисторный – в 1959 году, интегральный – μА702 (отечественный аналог 140УД1) – в 1963 году.

Несмотря на свою сложную внутреннюю структуру по размерам и цене операционный усилитель практически не отличается от обычного транзистора. Реализация же различных функциональных схем на операционных усилителях значительно проще, чем на отдельных дискретных транзисторах.

Функционально операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Входной каскад операционного усилителя выполнен по дифференциальной схеме.

Конструктивно операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, имеющая минимум пять выводов.

 

Условно-графическое обозначение приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Условно-графическое обозначение ОУ

 

 

С учетом фазовых соотношений входных и выходного сигналов вход 1 называется неинвертирующим входом (р-входом), а вход 2 – инвертирующим входом (n-входом).

Выводы + Е _п и – Е _п используются для подключения источников питания положительной и отрицательной полярности (или двухполярного источника питания). Общие выводы источников питания подключаются к общей шине схемы, относительно которой отсчитываются (измеряются) входные и выходное напряжение ОУ. Наличие двухполярного напряжения питания необходимо для формирования двухполярного выходного напряжения U _вых.

Для ОУ общего применения напряжение питания лежит в диапазоне  ±3 – ±18 В.

Кроме пяти основных выводов ОУ может иметь несколько дополнительных выводов для подключения внешних цепей, предназначенных для коррекции фазо-частотной характеристики ОУ или для коррекции напряжения сдвига ОУ.

Характеристики ОУ приближаются к характеристикам идеального ОУ, имеющего:

1. бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А = ¥);

2. бесконечное входное сопротивление (R _вх = 0,    I _вх ,_р = I _вх, _n = 0);

3. нулевое выходное сопротивление (R _вых = 0);

4. равенство нулю выходного напряжения при равных напряжениях на его входах (U _вых = 0  при   U _р = U_n);

5. бесконечную ширину полосы пропускания (D f = ¥, отсутствие задержки при прохождении сигнала через ОУ).

На практике ни один из этих параметров не достигается. Параметры реального ОУ равны параметрам идеального с той или иной степенью приближения.

 

 

Усилительные свойства ОУ

 

Выходное напряжение реального ОУ связано с напряжениями на его входах соотношением:

 

U _вых = А U _д + А _сс U _сс,                            (1)

 

где А – коэффициент усиления ОУ для дифференциального сигнала;

U _д = U _р – U_n – дифференциальный сигнал на входе ОУ;

U _сс = 1/2 (U _р + U_n) – синфазный сигнал на входе ОУ;

А _сс – коэффициент усиления синфазного входного сигнала.

 

Синфазный входной сигнал U _сс = 1/2 (U _р + U_n) представляет собой составляющую входного напряжения, воздействующую одновременно на оба входа ОУ. Коэффициент усиления синфазного сигнала ОУ определяется как:

 

  (при   U _сс = U _р = U_n).         (2)

 

В технической документации на ОУ обычно используют коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

 

.                       (3)

 

Тогда выражение (1) запишется в виде:

 

.         (4)

 

Для ОУ общего применения величина А ограничена значением 10⁵-10⁶ (или 100 – 120 дБ). Величина КОСС лежит в диапазоне 10⁴ – 10⁵ (или 80 – 100 дБ).

Для достаточно больших значений КОСС и малых величин синфазного входного сигнала U _сс  вторым слагаемым в (4) можно пренебречь:

 

U _вых » А(U _р – U_n) = А U _д.                        (5)

 

Таким образом, можно считать, что ОУ усиливает только разность входных сигналов.

 

Основные параметры ОУ

 

1. Коэффициент усиления для дифференциального сигнала   А.

2. Напряжение сдвига   U _сдв.

3. Входной ток смещения   I _cм. Входные токи смещения по входам "р" и "n" необходимы для работы входного дифференциального каскада ОУ.

4. Входной ток сдвига   I _cдв.     I _cдв = | I _{см ,р} – I _{см, n} |.

5. Входное сопротивление R _вх. Следует различать дифференциальное входное сопротивление   R _вхд  (сопротивление между двумя входами ОУ) и синфазное входное сопротивление   R _{вх сс} (сопротивление между объединенными входами и общей шиной).

6. Выходное сопротивление   R _вых.

7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС.

8. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение   К _нп. Он показывает изменение выходного напряжения ОУ при изменении напряжения питания (+ Е _п и – Е _п одновременно) на 1 В. Измеряется в [мкВ/В].

9. Входная емкость   С _вх.

10. Ток потребления без нагрузки   I _п.

11. Мощность потребления без нагрузки   Р.

12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения   V.  Измеряется в [В/мкс].

13. Переходная характеристика – зависимость напряжения на выходе ОУ от времени при подаче на вход ОУ ступеньки напряжения.

14. Частота единичного усиления f ₍₁₎ – частота, на которой коэффициент усиления ОУ А равен 1 (или 0 дБ).

15. Предельно допустимые значения параметров. Значения параметров, при превышении которых не гарантируется обеспечение функциональных характеристик ОУ или возможно необратимое повреждение ОУ. К таким параметрам относятся:   Р _макс, Е _п,макс, U _д,макс. , U _{сс,макс}, ,  и др.

 

 

Частотные свойства ОУ

 

Коэффициент усиления ОУ, как и любого усилителя, зависит от частоты входного сигнала. В области низких частот его величина практически постоянна, но в области высоких частот величина коэффициента усиления падает. Это объясняется усилением влияния на высоких частотах паразитных емкостей полупроводниковой структуры ОУ.

При рассмотрении частотных свойств ОУ необходимо учитывать, что ОУ может как содержать, так и не содержать собственные (внутренние) цепи частотной коррекции.

ОУ, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка. В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого скорректированного усилителя выражается формулой:

,                      (8)

где А ₀ – коэффициент усиления ОУ по постоянному току (на нулевой частоте);

 – частота среза.

 

Обычно в выражении (8) выделяют модуль и аргумент:

 

,                         (9)

 

.                       (10)

 

Здесь  – частота среза, равная частоте, на которой коэффициент усиления  уменьшается по сравнению с А ₀ в  раз (или на 3 дБ).

 

Модуль  дает зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты и определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

Аргумент  показывает запаздывание по фазе выходного сигнала относительно входного и определяет фазо-частотную характеристику (ФЧХ).

При построении графиков АЧХ часто для компактности и наглядности частоту откладывают в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления – в децибелах или в линейном масштабе. Здесь справедливы соотношения:

 

А [дБ] = 20lg А,                       (11)

 

А _{f ср} [дБ] = .   (12)

 

На рисунке 3 приведены АЧХ и ФЧХ в логарифмическом масштабе (частота представлена в декадном масштабе).

Рисунок 3 – АЧХ и ФЧХ скорректированного ОУ (со спадом 20 дБ/дек)

 

 

Частота f ₍₁₎ – частота единичного усиления, на которой коэффициент усиления равен единице (или 0 дБ).

 

Спад АЧХ в диапазоне от f _ср до f ₍₁₎ равен 20дБ/дек. Это соответствует уменьшению коэффициента усиления на 20 дБ при увеличении частоты в 10 раз.

 

Из выражения (9) при условии, что  (f / f _ср) >>1, получаем:

 

А f = А ₀ f _ср = f ₍₁₎,                                  (13)

 

т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания равно частоте единичного усиления.

 

 

Идеализация параметров ОУ

 

Для упрощения анализа и расчета схем на ОУ вводят понятие идеального ОУ со следующими параметрами:

1. бесконечный коэффициент усиления дифференциального сигнала:

 

А = U _вых/ U _д = U _вых/(U _р – U_n) = ¥,

откуда следует:

U _д = U _р – U_n = 0;   U _р = U_n;                                  (16)

 

2. нулевые входные токи смещения:

 

I _{см, р} = I _{см, n} = 0,   (R _вх = ¥);                   (17)

 

3. нулевое напряжение сдвига:    U _сдв = 0;

4. нулевое выходное сопротивление: R _вых = 0;

5. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю:    К _сс = 0;

6. мгновенный отклик на изменение входного сигнала: t _зад= 0.

 

 

Резисторов схемы

 

При нарушении условия (21):    R ₃ = R ₁,    R ₄ = R ₂   из-за допускового разброса номиналов резисторов, их различной температурной зависимости или старения ДУ усиливает также и абсолютную (синфазную) составляющую входного напряжения.

Выделим во входном сигнале ДУ дифференциальную и синфазную составляющие:

                                     ,                                    (23)

 

                                     .                                (24)

 

Тогда выходное напряжение ДУ (20) можно представить в виде:

. (25)

Первое слагаемое в (25) – дифференциальная составляющая выходного напряжения   U _{вых д},  а второе – синфазная составляющая   U _{вых сс},  т.е.

 

U _вых = U _{вых д} + U _вых,сс.                      (26)

 

При выполнении условия (21) имеем, как и ранее:

 

U _вых = U _вых,д = U _д ,       U _вых,сс = 0.

 

Оценим величину синфазной выходной составляющей (синфазной выходной погрешности) при нарушениях условия (21).

Дифференцируя   U _вых,сс  и   U _вых,д из выражения (25) и  учитывая затем, что: R ₃ = R ₁,    R ₄ = R ₂,  а   dR ₃ ¹ dR ₁,    dR ₄ ¹ dR ₂,  получаем:

 

,        (27)

 

(28)

 

Переходя от дифференциалов dR к их конечным приращениям, получаем:

 

,     (29)

 

,    (30)

 

или с учетом (22):

. (31)

 

Для максимальных значений  D R _к  и наихудшего соотношения знаков при   получаем:

,                        (32)

 

  или ,     (33)

где D R / R – относительная погрешность (суммарная допусковая, температурная и т.д.) резисторов   R _к  относительно своих номинальных значений.

 

Таким образом, синфазная выходная погрешность ДУ из-за несогласованности   резисторов схемы определяется выражениями (29) и (32).

 

2. Самостоятельная подготовка

Подготовка к проведению эксперимента

 

Подготовка экспериментальной установки

 

1. На лабораторном столе собрать экспериментальную установку, рисунок 9, не собирая исследуемую схему и не подключая кабель 1 к макету.

2. Включить и откалибровать осциллограф.

3. Включить прибор КУЛ-1 и установить на выходе генератора синусоидальный сигнал с параметрами:

частота   f = 1 кГц ± 0,1 кГц;

амплитуда  = 0,05 В (±0,005 В).

4. Проконтролировать по осциллографу (канал А) заданные параметры сигнала генератора.

5. Выключить прибор КУЛ-1.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Образец оформления титульного листа

 

 

Белорусский национальный технический университет

Приборостроительный факультет

Кафедра "Информационно-измерительная техника и технологии"

 

 

Отчеты

о лабораторных работах

по дисциплине "Электроника"

 

Выполнил

студент группы ХХХХХХ

ФИО студента

 

Проверил

должность преподавателя

ФИО преподавателя

 

 

Минск 2012

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ

ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

 

Цель работы: изучение основных характеристик операционного усилителя (ОУ), основных усилительных схем на ОУ, методов расчета усилителей на ОУ, методов экспериментального анализа усилителей на ОУ.

Методические указания: работа выполняется студентами за четыре часа аудиторных занятий.

 

 

Лабораторная работа состоит из двух этапов:

1. Самостоятельная (вне лабораторных занятий) подготовка к выполнению работы, включающая изучение теоретических сведений, письменные ответы на контрольные вопросы, моделирование с использованием программы EWB амплитудно-частотной характеристики инвертирующего усилителя с различными коэффициентами усиления, оформление бланка отчета.

2. Практическая часть, включающая проведение экспериментов и их обработку во время лабораторных занятий.