Исследование операционного усилителя

Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ).

Основные сведения.Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отме-

чен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

Рис. 6.1

Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е₁ и Е₂, причем Е₁ = – E₂.

Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме R_вых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю.

Основные параметры и характеристики ОУ:

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала (U_вых) от амплитуды входного сигнала.

Рис. 6.2

В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях U_вх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на инвертирующий вход (U_вx = ); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (U_вx = );. участок –U_{вx. max} < U_вx < U_{вx max} соответствует линейному усилению, при |U_вx| > U_{вx max} возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е, а U_{вx .max} = E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).

Рис. 6.3

Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (f_{в. гр}), соответствующей усилению 0,7К_max, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (f_умм), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (f_ЕУ) – такую частоту, при которой К_U = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = f_ЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.

5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже R_вx = 10⁹ Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.

6. Скорость нарастания большого сигнала– параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в про-цессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τ_фр, для скорости и нарастания сигнала запишем u ¹ 2Е/τ_фр. Значение u тесно связано с частотными свойствами ОУ: это оче-видно, так как длительность фронтов τ_фр ~ 1/f_{в. гр}, где f_{в. гр} – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с f_{в. гр} одну и ту же физическую природу).

7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (t_н) и время установления (t_у). Очевидно, что τ_фр = t_н + t_у. Если фронт – апериодический, то t_у = 0 и τ_фр = t_н. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитно-му самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность само-возбуждения выше, чем при апериодическом. Значение периода затухающих колебаний на вершине импульса с квазигармоническим фронтом позволяет оценить, на какой частоте имеет место угроза паразитного самовозбуждения.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напря-жения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряже-ния, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель ма-кета приведена на рис. 6.4.

С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R1 = 100 Ом, R2 = 10 кОм, R12 = 100 кОм, R13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R14 – R17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R8 – R10, а также цепочка R11 – С4позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Измерить напряжение смещения (U_см):

а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R1, неин-вертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока;

б) снять показание вольтметра (U_вых ОУ);

в) рассчитать напряжение смещения по формуле U_см = – U_вых(R1/ R12).

3. Исследовать передаточные характеристики ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник по-стоянного напряжения через резистор R2, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R14, а также вольтметр постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R8;

б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать потенциометр R8 до тех пор, пока U_см не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В;

в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В.

г) повторить измерение п. 3в, заменив нагрузку R14 на R15 (R15 < R14).

4. Исследовать АЧХ ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R2 генератор гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф;

б) поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя U_вых) до тех пор, пока U_вых не снизится до уровня входного сигнала, т. е. до 20 мВ. Частота, при которой U_вых оказывается равным U_вх, называется частотой единичного усиления;

в) заменить в обратной связи R12 на большее сопротивление R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе частоту 1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ;

г) увеличивая частоту сигнала, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является верхней границей полосы усиления максимальной мощности.

5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала.

Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τ_фр, рассчитать u.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения f_ЕУ, f_УММ, τ_фр, u).

3. Выводы.

Лабораторная работа № 7