Интегральные операционные усилители и основные схемы их включения
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ
Методическая разработка к лабораторной работе № 6
по дисциплинам «Основы схемотехники»,
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»,
«Схемотехника электронных средств»
(для студентов специальностей 210302 – «Радиотехника»,
210405 – «Радиосвязь, радиовещание и телевидение»,
210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» всех форм обучения)
Нижний Новгород, 2012
Составители: П.Ю. Тонких, Л.В. Когтева
УДК 621.375.13 (075.8)
Интегральные операционные усилители и основные схемы их включения: метод. разработка к лаб. работе № 6 по дисциплинам «Основы схемотехники», «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Схемотехника электронных средств» (для студентов специальностей 210302 – «Радиотехника», 210405 – «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», 210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» всех форм обучения) / НГТУ; сост.: П.Ю. Тонких, Л.В. Когтева, Н.Новгород, 2012. 23 с.
Кратко рассмотрены основы микросхемотехники интегральных операционных усилителей, типовые схемы их включения, анализ сдвигов нуля и простейшая коррекция. Описаны схема лабораторного макета и методика практического выполнения экспериментальной части работы.
Редактор Э.Б.Абросимова
Подписано в печать 19.09.12 Формат 60 х 84 1/16. Бумага газетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд.л. 1,5. Тираж 200 экз. Заказ
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
| © Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2012 |
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели работы.................................................................................... 4
2. Теоретическая часть........................................................................ 4
2.1. Основы схемотехники интегральных усилителей................... 4
2.1.1. Генератор стабильного тока............................................... 4
2.1.2. Генератор молого стабильного напряжения..................... 6
2.1.3. Схема сдвига уровня.......................................................... 6
2.1.4. Дифференциальный каскад с эмиттерной связью.............. 7
2.2. Интегральные операционные усилители и их основные
показатели................................................................................. 8
2.3. Основные схемы включения операционных усилителей ..... 11
2.3.1. Инвертирующмй усилитель............................................. 11
2.3.2. Неинвертирующий усилитель.......................................... 12
2.3.3. Дифференциальный усилитель......................................... 13
2.4. . Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация..... 14
2.4.1. Сдвиг от ЭДС смещения нуля операционного усилителя 14
2.4.2. Сдвиг из-за входного тока операционного усилителя.... 15
2.4.3. Учет разности входных токов.......................................... 16
2.4.4. Ручная балансировка нуля............................................... 16
2.5. . Простейшая запаздывающая коррекция............................. 17
3. Контрольные вопросы................................................................ 18
4. Экспериментальная часть ............................................................. 19
4.1. Описание схемы лабораторного макета................................ 19
4.2. Выполнение работы............................................................... 20
4.2.1. Измерение ЭДС смещения нуля....................................... 21
4.2.2. Измерение коэффициента ослабления синфазной помехи 21
4.2.3. Измерение дифференциального входного сопротивления
ОУ..................................................................................... 21
4.2.4. Исследование влияния емкости корректирующего конденсатора........................................................................................... 22
4.2.5. Наблюдение искажений, обусловленных конечной скоростью нарастания выходного напряжения..................................... 23
4.2.6. Содержание отчета........................................................... 23
5. Список литературы........................................................................ 23
ЦЕЛИ РАБОТЫ
Закрепить и углубить знания по основам микросхемотехники интегральных операционных усилителей. Изучить типовые схемы включения операционных усилителей, провести анализ сдвигов нуля и простейшей коррекции.
Приобрести навыки в измерении основных технических характеристик схем на базе операционных усилителей, в работе со средствами измерений и анализе полученных результатов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Генератор стабильного тока
Под генератором стабильного тока (ГСТ) понимается двухполюсник, ток которого почти не зависит от приложенного к немупостоянного напряжения. Следовательно, такой двухполюсник представляет для переменной составляющей тока большое сопротивление (в идеале - бесконечное). Простейшим ГСТ является коллекторная цепь транзистора, поскольку ток коллектора при фиксированном смещении (рис.1,а) почти не зависит от напряжения на коллекторе. Конечно, ток будет стабильным только при работе транзистора в активной области характеристик. Значит, напряжение на коллекторе можно изменять только по величине, но не по знаку, т.е. амплитуда его переменной составляющей должна быть меньше постоянной составляющей. Смещение должно оставаться постоянным.
Для уменьшения зависимости тока коллектора от напряжения на нем в эмиттерный вывод включается резистор обратной связи R1 (рис. 1,б), а потенциал базы фиксируется делителем R2, R3. При этом образуется схема эмиттерной стабилизации тока коллектора. Такая схема стабилизирует ток коллектора не только при изменении коллекторного напряжения, но и при изменении температуры. Для дальнейшего улучшения стабильности последовательно с R3, т.е. в нижнее плечо базового делителя, включается диод, смещенный в прямом направлении. Он имеет отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения и поэтому осуществляет дополнительную термостабилизацию тока коллектора. В качества диода в микросхемах используется транзистор в диодном включении (обычно база соединяется с коллектором).
Более просты ГСТ на полевых транзисторах, так как их можно строить без отдельного источника подачи смещения. В качество примера на рис.1,в приведена схема ГСТ на полевом транзисторе с изолированным затвором и встроенным каналом типа n,а на рис.1,г показано, как графически определить стабилизируемый ток I. Здесь график 1- cтоко-затворная характеристика транзистора, 2 - вольт-амперная характеристика резистора Rи, напряжение на котором задает смещение запирающей полярности на затвор и определяет ток транзистора I. Полярность напряжения uзина рис.1,в противоположна полярности напряжения на Rи, а поэтому для совмещения двух графиков на одном рис.1,г прямая 2 направлена в сторону отрицательных значений uзи. Из рис.1,г видно, что допустимо даже Rи = 0, но тогда ток будет менее стабилен.
В сущности, назначение ГСТ состоит в получении очень большого сопротивления для переменной составляющей тока при небольшом сопротивлении для постоянной составляющей. Последнее обеспечивает малую величину потерь на нем постоянного напряжения (единицы вольт) и мощности. В этом отличие ГСТ от простого резистора. Кроме того, резисторы, имеющие большие сопротивления, занимают на подложке много места и поэтому нежелательны.
Схема сдвига уровня
У транзистора потенциал коллектора значительно отличается от потенциала базы. Поэтому в схемах с ОЭ и ОБ происходит сдвиг постоянного напряжения на выходе (коллекторе) относительно входа. Так как в микросхемах разделительные конденсаторы не применяются, сдвиги отдельных каскадов суммируются, что приводит к значительному сдвигу уровня постоянного напряжения точки выхода и, следовательно, 
к уменьшению максимально достижимой амплитуды переменного выходного напряжения. Для предотвращения этого требуется в цепях передачи сдвигать уровень постоянного напряжения в обратную сторону. Делается это при помощи специально включаемых схем или цепей сдвига уровня, которые, однако, должны почти без ослабления передавать полезный сигнал.
Простейшим элементом сдвига уровня является стабилитрон. Однако он вносит большие шумы, а его пороговое напряжение не зависит от напряжения питания и плохо контролируется при изготовлении.
Наиболее распространена схема сдвига уровня, приведенная на рис.2,в. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT1обеспечивает высокое входное сопротивление. В его эмиттерную цепь включен делитель напряжения, одним плечом которого является резистор R , а другим - ГСТ на VT2. Так как динамическое сопротивление токостабилизирующего транзистора VT2 велико (много больше, чем R), то делитель незначительно ослабляет полезный сигнал. Необходимый сдвиг уровня создается падением постоянного напряжения на резисторе R.
Основные схемы включения ОУ
Так как ОУ обладает очень большим усилением, то даже малое постоянное дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за асимметрии входного ДК или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать смещение или сдвиг нуля постоянного выходного напряжения к предельному значению. Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность усиливать. Кроме того, коэффициент усиления ОУ может иметь значительный технологический разброс и зависеть от температуры и напряжения питания. Поэтому, как правило, ОУ применяются с глубокой внешней отрицательной ОС, которая обеспечивает стабильность усиления и малый сдвиг нуля выходного напряжения. Рассмотрим основные схемы включения ОУ.
Инвертирующий усилитель
Схема инвертирующего усилителя приведена рис.6,а. Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через сопротивление R1. Неинвертирующий вход заземлен через сопротивление R3, которое в некоторых случаях может отсутствовать. Для того чтобы ОС была отрицательной, ее сигнал должен сниматься с выхода и подаваться на инвертирующий вход. В приведенной схеме отрицательная ОС подается с выхода на вход через резистор R2 и является параллельной по напряжению. Поскольку данная схема приводится для анализа работы ОУ, выводы подключения источников питания, а также дополнительные выводы, используемые на практике, на схеме не показаны.
Ограничимся упрощенным анализом, который является точным только в случае допущения, что ОУ является идеальным (Кд = ∞, Rвх.д = ∞). Так как Uвых ограничено значением напряжения питания, а Кд = ∞, то Uвх.д = 0, т.е. пренебрежимо мало. Кроме того из-за Rвх.д = ∞ входной ток ОУ ничтожно мал. Следовательно, величины токов I, протекающих через R1 и через резистор связи R2, одинаковы. Поскольку Uвх.д = 0, то напряжение на R1 равноUвх, а на R2 равно Uвых и ток
, (1)
откуда коэффициент усиления с учетом ОС
. (2)
Входное сопротивление Rвх.β = Uвх /I, а с учетом (1) Rвх.β = R1. Выходное сопротивление самого ОУ составляет десятки или сотни Ом. Отрицательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление схемы. При Кд = ∞ глубина ее бесконечно велика и Rвых.βуменьшается до нуля.
В случае реального ОУ (Кд ≠ ∞, Rвх.д ≠ ∞) для точного определения найденных показателей необходимо применять теорию обратных связей.
Неинвертирующий усилитель
В схеме неинвертирующего усилителя (рис.6,б) входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение ОС подается по-прежнему на инвертирующий вход через делитель R2, R1 для того, чтобы обратная связь была отрицательной. Организованная в схеме внешняя ОС оказывается последовательной по напряжению.
Здесь также ограничимся упрощенным анализом, считая ОУ идеальным. Тогда по тем же причинам, что и в инвертирующем усилителе, Uвх.д и Iвх.д пренебрежимо малы. Поэтому через R2 и R1протекает один и тот же ток I , причем
, 
.
Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя с учетом ОС
. (3)
Входное сопротивление схемы для случая идеального ОУ Rвх.β = ∞, а выходное Rвых.β = 0.
Дифференциальный усилитель
 |
Дифференциальный усилитель (рис.7), так же, как и дифференциальный каскад, предназначен для усиления разности двух входных напряжений, но в отличие от него охвачен глубокой отрицательной ОС.
Для точного вычитания необходимо обеспечить равенство коэффициентов усиления как первого, так и второго входных напряжений, рассматриваемых по отдельности (принцип суперпозиции):
. (4)
Левая часть равенства (4) - это коэффициент усиления (2) инвертирующего усилителя для Uвх1. Его находим при Uвх2 = 0. При этом в вывод неинвертирущего входа ОУ оказывается включенным сопротивление R2 || R4. Однако оно ничтожно мало по сравнению с Rвх.д и на коэффициент усиления не влияет. В правой части (4) первый сомножитель - это коэффициент передачи резистивного делителя напряжения R2, R4, а второй - коэффициент усиления (3) неинвертирующего усилителя для напряжения Uвх2 (находим при Uвх1 = 0).
Разделим обе части равенства (4) на отношение R3/R1, а числитель и знаменатель дроби в правой части - на R4. Получим
,
откуда
.
При этом условии выходное напряжение
пропорционально разности входных напряжений. Иначе говоря, такой усилитель нечувствителен к синфазному входному напряжению, поданному на оба входа одновременно. Однако в реальных ОУ синфазный сигнал все же проходит на выход, хотя и очень слабо.
Известно, что отрицательная ОС по напряжению уменьшает Uвыхв глубину раз независимо от точек подачи входного напряжения. Следовательно, в дифференциальном усилителе она одинаково уменьшает оба коэффициента передачи - для дифференциального напряжение (Кд) и для синфазного напряжения (Ксф). Поэтому их отношение, называемое коэффициентом ослабления синфазной помехи Косл сф, для дифференциального усилителя (рис.7) такое же, как и для самого ОУ, т.е.
.
Последней формулой можно воспользоваться для определения Kосл сф , если измерить Кβ сф = Uвых/Uвх.сф. Здесь Uвх.сф = Uвх1 = Uвх2 и подается при запараллеленных между собой входах схемы рис.7, а Кβ = R3/R1 для любого из входов. Тогда
. (5)
В заключение отметим, что во всех рассмотренных усилителях, если они предназначаются для усиления только переменных напряжений, можно обойтись источником питания одной полярности. Соответствующие схемы мы здесь не рассматриваем.
Учет разности входных токов
На практике токи инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не точно равны. Их разность обозначается ΔIвх. Очевидно, что вызванное этой разностью напряжение сдвига на выходе можно определить по формуле, аналогичной (7):
Uвых.0β = ±ΔIвx R2 . (8)
Для компенсации этого сдвига нужно подстраивать R3.
При определении полного сдвига нуля на выходе необходимо ориентироваться на худший случай, т.е. считать, что сдвиги (6) и (7) складываются, несмотря на то, что полярность Есм неизвестна. Так как ΔIвx < Iвх в несколько раз, то сдвиг от ΔIвx можно не учитывать, если в схеме нет R3, т.е. не компенсируется сдвиг от Iвх.
Ручная балансировка нуля
Для устранения сдвига нуля выходного напряжения иногда применяют его компенсацию путем подачи на вход ОУ небольшого постоянного компенсирующего напряжения, величину и полярность которого устанавливают ручной подстройкой потенциометра. Однако сдвиги нуля подвержены температурной и временной нестабильности. Поэтому точная подстройка со временем нарушается.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое генератор стабильного напряжения? Нарисуйте схемы ГСТ и дайте их сравнительный анализ.
2. Для чего необходимы генераторы малого стабильного напряжения? Нарисуйте простейшую схему ГМСН и поясните ее работу.
3. Каков принцип работы схем сдвига уровня?
4. Каковы основные свойства дифференциального каскада на транзисторах? Что такое синфазная помеха и коэффициент ослабления синфазной помехи?
5. Какие функции выполняет операционный усилитель и чем объяснить его широкое применение в схемотехнике?
6. Назовите основные параметры операционных усилителей и дайте их определения.
7. По схеме, приведенной на рис. 4, расскажите о назначении всех элементов.
8. Почему ОУ применяются в схемах с наличием отрицательных обратных связей?
9. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя и выполните ее упрощенный анализ.
10. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя и выполните ее упрощенный анализ.
11. Нарисуйте схему дифференциального усилителя, выполненного на базе ОУ, и покажите вывод условия, при котором схема работает как дифференциальная.
12. Что такое ЭДС смещения нуля ОУ?
13. Назовите основные причины сдвига нуля выходного напряжения ОУ. Как эти сдвиги рассчитываются?.
14. Как определить полный сдвиг нуля выходного напряжения?
15. Почему ОУ, охваченный отрицательной ОС, самовозбуждается в области верхних частот?
16. В чем заключается простейшая запаздывающая коррекция операционных усилителей?
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Выполнение работы
Включить тумблеры питания на генераторах (ГЗ-109 и Г4-102), вольтметре B3-41, осциллографе и выпрямителе.
Измерение ЭДС смещения нуля
1. Установить максимальную емкость корректирующего конденсатора (S3 в положение 5).
2. Переключатель S2 установить в положение 1.
3. Записать в милливольтах показание вольтметра V (он расположен на лабораторном макете, а его пределы измерения ±1 В), т.е. выходное напряжение сдвига нуля при наличии ОС Uвых.0β.
4. Вычислить ЭДС смещения нуля микросхемы по формуле
.
Содержание отчета
1. Цели работы.
2. Схема макета (для упрощения конденсаторы С2 , С7 ипереключатель S3 целесообразно опустить, а вместо С3 ¸ C6 показать один конденсатор Скор).
3. Названия разделов экспериментальной части. В каждом разделе привести результаты измерений, необходимые вычисления, таблицы и графики, осциллограммы.
4. Выводы по результатам выполненных экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учебник для вузов / В.Н. Павлов, В.Н. Ногин. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 320 с.
2. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 768 с.
3. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: учеб. пособие для вузов /В.Н.Ногин. - М.: Радио и связь, 1992. – 304 с.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ
Методическая разработка к лабораторной работе № 6
по дисциплинам «Основы схемотехники»,
«Схемотехника аналоговых электронных устройств»,
«Схемотехника электронных средств»
(для студентов специальностей 210302 – «Радиотехника»,
210405 – «Радиосвязь, радиовещание и телевидение»,
210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» всех форм обучения)
Нижний Новгород, 2012
Составители: П.Ю. Тонких, Л.В. Когтева
УДК 621.375.13 (075.8)
Интегральные операционные усилители и основные схемы их включения: метод. разработка к лаб. работе № 6 по дисциплинам «Основы схемотехники», «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Схемотехника электронных средств» (для студентов специальностей 210302 – «Радиотехника», 210405 – «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», 210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» всех форм обучения) / НГТУ; сост.: П.Ю. Тонких, Л.В. Когтева, Н.Новгород, 2012. 23 с.
Кратко рассмотрены основы микросхемотехники интегральных операционных усилителей, типовые схемы их включения, анализ сдвигов нуля и простейшая коррекция. Описаны схема лабораторного макета и методика практического выполнения экспериментальной части работы.
Редактор Э.Б.Абросимова
Подписано в печать 19.09.12 Формат 60 х 84 1/16. Бумага газетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд.л. 1,5. Тираж 200 экз. Заказ
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
| © Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2012 |
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели работы.................................................................................... 4
2. Теоретическая часть........................................................................ 4
2.1. Основы схемотехники интегральных усилителей................... 4
2.1.1. Генератор стабильного тока............................................... 4
2.1.2. Генератор молого стабильного напряжения..................... 6
2.1.3. Схема сдвига уровня.......................................................... 6
2.1.4. Дифференциальный каскад с эмиттерной связью.............. 7
2.2. Интегральные операционные усилители и их основные
показатели................................................................................. 8
2.3. Основные схемы включения операционных усилителей ..... 11
2.3.1. Инвертирующмй усилитель............................................. 11
2.3.2. Неинвертирующий усилитель.......................................... 12
2.3.3. Дифференциальный усилитель......................................... 13
2.4. . Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация..... 14
2.4.1. Сдвиг от ЭДС смещения нуля операционного усилителя 14
2.4.2. Сдвиг из-за входного тока операционного усилителя.... 15
2.4.3. Учет разности входных токов.......................................... 16
2.4.4. Ручная балансировка нуля............................................... 16
2.5. . Простейшая запаздывающая коррекция............................. 17
3. Контрольные вопросы................................................................ 18
4. Экспериментальная часть ............................................................. 19
4.1. Описание схемы лабораторного макета................................ 19
4.2. Выполнение работы............................................................... 20
4.2.1. Измерение ЭДС смещения нуля....................................... 21
4.2.2. Измерение коэффициента ослабления синфазной помехи 21
4.2.3. Измерение дифференциального входного сопротивления
ОУ..................................................................................... 21
4.2.4. Исследование влияния емкости корректирующего конденсатора........................................................................................... 22
4.2.5. Наблюдение искажений, обусловленных конечной скоростью нарастания выходного напряжения..................................... 23
4.2.6. Содержание отчета........................................................... 23
5. Список литературы........................................................................ 23
ЦЕЛИ РАБОТЫ
Закрепить и углубить знания по основам микросхемотехники интегральных операционных усилителей. Изучить типовые схемы включения операционных усилителей, провести анализ сдвигов нуля и простейшей коррекции.
Приобрести навыки в измерении основных технических характеристик схем на базе операционных усилителей, в работе со средствами измерений и анализе полученных результатов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ