ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.01.2021
Просмотров: 645
Скачиваний: 4
31
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель работы: Ознакомление с основными параметрами и характеристиками операционных усилителей, исследование и расчет основных параметров и схем различных устройств на базе операционных усилителей.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Операционные усилители (ОУ) являются основным элементом аналоговых и аналогово-цифровых вычислительных схем, различных информационно-измерительных и управляющих систем и приборов, устройств связи ЭВМ с объектом.
Операционные усилители широко используются в различных электронных устройствах, в АЦП и ЦАП, коммутаторах, функциональных преобразователях, устройствах сжатия информации, активных фильтрах, генераторах сигналов, источниках питания и ряде других устройств.
По своим возможностям ОУ относятся к самым универсальным элементам. Высокий коэффициент усиления, стабильность нулевого уровня, высокое входное и низкое выходное сопротивления, достаточно высокое быстродействие и возможность работы с разнообразными цепями обратной связи позволяют выполнять различные преобразования входного сигнала: усиление, суммирование, вычитание, интегрирование, дифференцирование, сравнение, запоминание, умножение, логарифмирование, возведение в степень и ряд других преобразований. В общем случае ОУ- это усилитель постоянного тока, выполненный в виде интегральной микросхемы, с непосредственными (гальваническими) связями, высоким коэффициентом усиления ( 10 3 - 10 6 ) , способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи (ОС).
Принципиальная схема интегрального ОУ , как правило, содержит три транзисторных каскада: входной каскад (дифференциальный усилитель), промежуточный усилитель напряжения и выходной каскад усиления по току ( эмиттерный повторитель).
На рис.1 приведено условное обозначение ОУ. Три из четырех показанных на рисунке сигнальных выводов представляют собой минимальное число выводов действующего ОУ. Это инвертирующий вход “-”, неинвертирующий вход “+” и выход. Сигнал, поданный на инвертирующий вход имеет на выходе противоположную фазу (сдвинут на 180 ) , а на фазы сигналов, поданного на неинвертирующий вход и полученного на выходе ОУ совпадают. Четвертый сигнальный вывод- общий (земля)- как правило реализуется потенциально и является общим выводом источника питания.
Кроме перечисленных сигнальных выводов и выводов питания реальный ОУ снабжается, если это необходимо, дополнительными выводами для установки нуля сдвига, для частотной коррекции или регулировки тока питания.
Вывод сигнальной земли (общий) обеспечивает опорную точку для трех сигнальных выводов. На рис.1 показаны принятые обозначения и полярность входных напряжений U - и U + , выходного напряжения U вых, входных токов I - и I + и выходного тока I вых. Абсолютные значения сигнальных напряжений U - , U + и Uвых ограничены напряжениями питания U + пит и U - пит . При этом размах колебаний обоих входных и выходного напряжений также симметричен в обеих полярностях и обычно перекрывает диапазон ниже U пит на 1,5 - 2 В.
Выходной ток ОУ рассчитан на определенную нагрузку.
Типичным свойством передаточной характеристики ОУ (рис.2) является то, что она чувствительна к разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных значений. Из этого свойства вытекает введение двух понятий: синфазного входного напряжения U синф для общей составляющей напряжений на обоих входах, которая должна быть подавлена усилителем, и дифференциального входного напряжения U диф, на которое реагирует усилитель. В то время как определение дифференциального входного напряжения, как U диф = U - - U + , очевидно ( рис.2 ) , определение синфазного входного напряжения U синф = U + + K U диф , является в достаточной мере произвольным, так как зависит от выбора коэффициента К . На практике используются два значения К = 1 / 2 и 0 . В первом случае сохраняется симметрия : U синф = ( U - + U +) / 2, однако это ведет к формальным трудностям в определении параметров ОУ. Поэтому предпочтение отдается второму случаю при котором U синф отождествляется с инверсным входным напряжением: Uсинф = U + .
Этот второй выбор оправдывается также при рассмотрении функции замкнутого контура обратной связи (ОС), поскольку в большинстве случаев неинвертирующий вход служит в качестве точки с заданным опорным потенциалом, с которым сравнивается потенциал инвертирующего входа. Однако практически оба определения равнозначны, поскольку Uдиф очень мало в сравнении с диапазоном входного синфазного сигнала.
При расчете и проектировании устройств с применением ОУ пользуются понятием “идеальный” ОУ. “Идеальный” ОУ - это усилитель с нулевым дифференциальным входным напряжением и нулевыми входными токами при любом уровне выхода и любом синфазном напряжении на входе:
Uдиф, I - , I + равны нулю для произвольных Uвых, Iвых, U синф.
Характеристики реальных ОУ отличаются от идеальных, поэтому при построении устройств на базе ОУ возникают погрешности, которые тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к идеальным.
Параметры ОУ можно разделить на следующие группы :
Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:
- напряжение смещения нуля Ucм, значение которого определяется неиндентичностью напряжений база-эмиттер транзисторов входного каскада. Как видно из рис.2, физический смысл параметра Uсм - это дифференциальное входное напряжение, которое необходимо подать на входы ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным 0:
- максимальное входное дифференциальное напряжение Uдиф мах: важный параметр ОУ, так как превышение входным сигналом этого значения приводит к искажениям выходного напряжения и даже выходу ОУ из строя:
- максимальное входное синфазное напряжение Uсинф мах:
- средний входной ток ( I вх ) - среднеарифмитическое значение токов I- и I + входов усилителя при таком напряжении Uвх, при котором Uвых равно нулю. В реальной схеме входные токи способствуют появлению сигнала на выходе ОУ, так как проходя через сопротивление источника сигнала, они вызывают падение напряжения, которое в свою очередь, вызывает появление на выходе напряжения, отличного от нуля:
- разностный входной ток I вх - абсолютное значение разности токов двух входов усилителя I + - I - , измеренных при выходном напряжении равном нулю. Разностный входной ток позволяет определить номинал балансировочного резистора, включаемого между входами ОУ, для получения на выходе ОУ напряжения равного нулю.
- входное дифференциальное сопротивление R вх (рис.3) - сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения: определяется как отношение напряжения на неинвертирующем входе к входному току при заземленном инвертирующем входе.
- входное сопротивление для синфазного сигнала R синф (рис.3) - отношение синфазного входного напряжения к току инвертирующего или неинвертирующего входа при нулевом выходном напряжении.
Передаточные параметры:
- коэффициент усиления по напряжению К u - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики (рис.2):
К U = U вых / U вх,
где Uвх = Uдиф = U + - U -
- коэффициент ослабления синфазного сигнала К ос.сф.- отношение коэффициента усиления К u к коэффициенту передачи синфазного сигнала К сф. Коэффициент К сф при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения (рис.4). Часто употребляется логарифмическая мера для определения К сф:
М сф = 20 lg К сф децибелл.
- частота единичного усиления f1- частота, на которой коэффициент усиления К u уменьшается до 1 (рис.5).
Для ОУ, содержащих внутреннюю частотную коррекцию, скорость спада логарифмической АХЧ (рис.5) составляет 20 дБ/дек. У таких усилителей произведение Кu на полосу пропускания f равно частоте единичного усиления Кu f = f1. Это позволяет определять полосу пропускания для различных Ku.
Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:
- выходное сопротивление R вых - внутреннее сопротивление выхода ОУ относительно земли;
- максимальный выходной ток I вых mах, измеренный при максимальном выходном напряжении определяет минимальное сопротивление нагрузки R н. min:
- максимальное выходное напряжение U вых. mах. в диапазоне линейного усиления.
Переходные ( динамические) параметры:
- скорость нарастания выходного сигнала Vu - это отношение изменения выходного напряжения от 10 - 90% номинального значения ко времени , за которое произошло это изменение, если на вход ОУ подан идеальный скачок (от 0 до максимального входного напряжения). Этот параметр позволяет определить предельную частоту f мах входного сигнала Uвх, при котором будут отсутствовать искажения выходного сигнала Uвых= Кu Uвх:
2 f мах = Vu / Ku Uвх (1)
Параметры цепи питания:
- напряжение питания U пит.
- потребляемый ток I пот.
ОУ, выполняемые в виде монолитных микросхем, можно классифицировать следующим образом:
1. По типу транзисторов, используемых во входных каскадах:
- ОУ на биполярных транзисторах, имеющие малое напряжение смещения нуля, но значительные входные токи и сравнительно невысокое входное сопротивление ( 6 Ом) ;
- ОУ с полевыми транзисторами на входе, в которых достигаются высокое входное сопротивление ( 10 9 - 10 12 Ом) и малые входные токи, но возрастает напряжение смещения нуля.
2. По входной мощности:
- стандартные ОУ, которые отдают в нагрузку с сопротивлением Rн 2 кОм номинальную мощность 50 мВт,
- мощные ОУ с выходной мощностью от единиц до нескольких десятков ватт,
- микромощные ОУ, в которых мощность, потребляемая в режиме покоя, очень мала (10- 6 Вт).
3. По области применения:
- ОУ общего применения, характеризуемые низкой стоимостью, широким диапазоном напряжения питания, защищенным от перегрузок входом и выходом, не очень высокой частотой и позволяющие строить узлы аппаратуры с общей погрешностью около 1%.
- Специальные ОУ: быстродействующие (с высоким f1 и Vu), прецизионные (с большим Кu, низким дрейфом параметров и обеспечивающие реализацию узлов с погрешностью не более 0,1%), электрометрические (с высоким Rвх м), программируемые (у которых один или несколько параметров зависят от параметров цепи управления) и т.п.
Принцип отрицательной обратной связи.
Анализ и расчет схем на ОУ.
Принцип введения отрицательной обратной связи для ОУ иллюстрирует рис.6. Часть выходного напряжения Uвых возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как показано на рис.6, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения Uвх, обратная связь называется отрицательной, если же оно суммируется со входным, то такая связь называется положительной. Операции вычитания и сложения для ОУ осуществляются с помощью дифференциальных входов ОУ (инвертирующий и неинвертирующий входы).
Рассмотрим работу отрицательной обратной связи. Для физического анализа схемы допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент времени выходное напряжение Uвых., а следовательно, и напряжение обратной связи К ос Uвых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное к входу операционного усилителя составит Uдиф = U вх.
Так как это напряжение усиливается с большим коэффициентом усиления Кu, то величина U вых быстро возрастает до некоторого значения и вместе с ней возрастет также величина К ос U вых. Это приведет к уменьшению напряжения Uдиф на входе усилителя. При некотором значении Uвых будет достигнуто устойчивое состояние и величина Uвых при этом составит
Uвых = Кu Uдиф = К u ( U вх Кос Uвых ) (2)
Решив это уравнение относительно Uвых получим
К = Uвых / Uвх = Кu / (1+ Kос Кu) (3)
при Кос Кu коэффициент усиления охваченного обратной связью усилителя составит
К 1 / Кос (4)
Таким образом из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью К определяется только обратной связью и не зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь ОС представляет собой делитель напряжения.
При этом схема, изображенная на рис.6 работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC- цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, в цепи обратной связи можно использовать нелинейные элементы, например, диоды или транзисторы, и на их основе получить нелинейные включения ОУ, применяемые в вычислительной технике.
Используя комбинации отрицательной и положительной обратной связи, можно также получать различные устройства на базе ОУ (интеграторы, дифференциаторы, мультивибраторы и т.п.).
При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие допущения:
1. Входное сопротивление (для дифференциального и синфазного сигнала) равно бесконечности, а входные токи - нулю.
2. Выходное сопротивление - равно нулю.
3. Коэффициент усиления Кu равен бесконечности.
4. Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.
5. Напряжение сдвига равно нулю.
6. Выходное напряжение может меняться мгновенно (бесконечная скорость нарастания).
В зависимости от назначения схемы на базе ОУ можно подразделить на следующие виды:
- усилители - это схемы, предназначенные для усиления и измерения малых напряжений, разности напряжений и токов.
- процессоры - это схемы для обработки сигналов. Сюда относятся линейные процессоры (суммирующие усилители, интеграторы, активные фильтры), нелинейные процессоры (ограничители, выпрямители, преобразователи эффективного значения сигнала, логарифмические усилители, перемножители, делители, функциональные генераторы) и переключаемые процессоры (мультиплексоры, устройства выборки- хранения, пиковые детекторы, компараторы, преобразователи частота- напряжения).
- генераторы - схемы, генерирующие сигналы. Они делятся на стабилизаторы постоянного тока (источники питания и опорных напряжений и токов) и генераторы сигналов (синусоидальной, прямоугольной, треугольной и ступенчатой форм).
Усилители:
Неинвертирующий усилитель. Если в качестве цепи обратной связи использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получится изображенная на рис.7а базовая схема охваченного обратной связью неинвертирующего усилителя (фазы входного и выходного сигнала совпадают). Коэффициент обратной связи К ос. равен R1/ (R1 + Rос).