Исследование операционных усилителей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа действия и типовых схем с применением операционных усилителей.

ЗАДАНИЕ

Снять характеристики типовых схем, собранных на операционных усилителях.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения таких операций аналоговой техники, как усиление, интегрирование, дифференцирование, суммирование, сравнение сигналов. Интегральное исполнение превратило ОУ из элементов аналоговой вычислительной техники в универсальные элементы промышленной электроники. Независимо от схемотехнического исполнения ОУ имеют общие свойства, позволяющие осуществлять простой инженерный расчёт схем с их использованием.

ОУ имеет (рис. 6.1) не менее 5 обязательных выводов: инвертирующий и неинвертирующий входы, выход и два вывода, предназначенные для подключения положительного и отрицательного источников питания. ОУ может иметь и другие выводы: для подключения схемы внешней частотной коррекции, балансировки и т.д.

Рис. 6.1

Все входные и выходные сигналы, а также напряжение источников питания подаются и снимаются относительно общей шины, называемой “земля”.

Реальный ОУ должен обладать следующими показателями:

высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;

малым напряжением смещения нуля;

малыми входными токами;

высоким входным и низким выходным сопротивлением;

высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);

наклоном амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот – 20дБ/дек (для достижения устойчивостиработы усилителя на высоких частотах)

Показатель	Идеальный ОУ	Реальный ОУ
Коэффициент усиления Входное сопротивление Выходной ток Выходное сопротивление Полоса пропускания		5×103…107 5×103…109 Ом 5 мкА…1мА 200…500 Ом 1…50 МГц

Блок-схема ОУ приведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2

Внутренняя структура операционного усилителя представлена на рис. 6.3.

Схема состоит из дифференциального каскада, реализованного на транзисторах VT1 и VT2. Дифференциальный каскад имеет два симметричных выхода и . Выходы дифференциального каскада соединены со входами усилителя напряжения на транзисторах VT3 и VT4. Главное различие между этими каскадами – наличие у усилителя напряжения несимметричного выхода. Значение коэффициента усиления дифференциального каскада: К_д = dU_вых/dU_вх.

Несимметричный выход ведёт себя по разному по отношению ко входу. Например:

.

В этом случае будем называть неинвертирующим входом, а – инвертирующим.

Рис. 6.3

В схеме ОУ отсутствуют конденсаторы. Наличие непосредственно гальванических связей в схеме приводит к тому, что на выходе схемы накапливается постоянное напряжение ещё до подачи полезных входных сигналов. Для ликвидации этого напряжения в схеме используется эмиттерный повторитель на транзисторе VT5, в эмиттере цепи которого содержится делитель напряжения на резисторах и . Номиналы сопротивлений и подбираются таким образом, чтобы в точке выхода делителя присутствовал нулевой потенциал при отсутствии входных сигналов. Данная схема называется схемой сдвига уровня напряжения, ее коэффициент усиления равен 1. Сигнал от выхода делителя поступает на вход усилителя мощности, реализованного на транзисторах VT6 и VT7. Работает этот усилитель в режиме усиления класса AB.

При подаче напряжения питания через диоды VD1 и VD2 течёт ток, поэтому падение напряжения на этих диодах (0,7В) поступает на базы VT6 и VT7, которые ещё до подачи полезного сигнала на входы усилителя находятся в открытом состоянии. Таким образом, эта схема обеспечивает наименьшие линейные и нелинейные искажения.

Изменение температуры окружающей среды крайне слабо влияет на работу ОУ, поскольку температура одинаково влияет на увеличение VT1 и VT2, поэтому увеличение температуры ОУ является синфазным сигналом, который подавляется с коэффициентом подавления, равным 100000…120000.

ОУ должен быть усилителем постоянного тока с высоким коэффициентом усиления напряжения и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления напряжения. Однако с ростом числа каскадов усиления напряжения увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ с обратными связями и усложняются цепи коррекции. Даже усилители с тремя каскадами усиления напряжения имеют сложные схемы включения, и разработчики стараются их не применять. Это вызывает необходимость использования усилительных каскадов с очень высоким коэффициентом усиления напряжения. Большие трудности при проектировании усилителей постоянного тока связаны также со смещением нуля ОУ.

Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение не равно нулю. Обычно определяют смещение нуля на входе, как такое дифференциальное напряжение, которое нужно приложить ко входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было бы равно нулю. Смещение нуля, по сути, является аддитивной погрешностью выполнения математических действий ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временной дрейфы. ОУ на дискретных транзисторах не обеспечивают требуемое смещение нуля, что связано с неидентичностью транзисторов. Только применение и усовершенствование интегральной технологии, позволившей изготавливать парные транзисторы дифференциального каскада в едином производственном цикле и на расстоянии несколько микрометров друг от друга, привело к существенному уменьшению смещения нуля и дрейфов.

Некоторые параметры ОУ могут быть улучшены путем использования разных схем включения.

1. Инвертирующий усилитель (рис 6.4).

Очевидно, что напряжение, измеряемое непосредственно на входе усилителя, , при .

Это напряжение составляет микровольты или милливольты. Таким образом, с достаточной точностью можно полагать, что потенциал суммирующей точки равен потенциалу земли. Ток, протекающий со стороны входа

, поскольку , то ( – ток в цепи обратной связи);

; .

Коэффициент усиления усилителя .

Знак «минус» отражает инвертирующий характер усилителя.

Рис. 6.4

2. Неинвертирующий усилитель (рис. 6.5).

Аналогично предыдущему расчету

Рис. 6.5

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Запустить программу MultiSym. Загрузить схему исследования <ЛР№6 1.msm>. Появится схема инвертирующего усилителя, показанная на рис. 6.6.

4.2. Получить осциллограммы входного и выходного сигналов.

4.3. Снять амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя: U_вых = F(f), f = 20…200 КГц.

Рис. 6.6

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что такое ОУ?

2. Назовите свойства реального ОУ.

3. Что включает в себя внутренняя структура ОУ?

4. Объясните назначение эмиттерного повторителя.

5. Как влияет изменение температуры окружающей среды на работу ОУ?

6. Объяснитетермин «смещение нуля» ОУ.

7. Что такое синфазный сигнал?

8. Чему равен коэффициент усиления инвертирующего усилителя, неинвертирующего усилителя?

9. Перечислите основные схемы включения ОУ.

10. Каковы частотные свойства ОУ?

11. Как определить коэффициент петлевого усиления?

12. Зависят ли входное и выходное сопротивления схемы от способа включения ОУ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7