Лабораторные. Лабораторные работы. Лабораторная работа 1 Система моделирования Electronics Workbench Структура окна и система меню
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Контрольные вопросы к работе Объясните принцип действия усилителя напряжения. 1. Для чего необходим резисторный делитель в цепи базы усилителя? 2. С какой целью устанавливается резистор и конденсатор в эмиттерной цепи усилителя? 3. Какое назначение резистора в цепи коллектора? 4. Изобразить амплитудную характеристику усилителя напряжения. 5. Почему частотная характеристика усилителя имеет спад на низких и высоких частотах? 95 Лабораторная работа 8 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Цель работы - изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ). Краткие теоретические сведения 1. Структура интегральных ОУ Независимо от сложности принципиальной схемы интегральный ОУ обычно содержит следующие функциональные узлы (Рис. 1): входной дифференциальный каскад, усилитель напряжения, схему сдвига постоянного уровня ивыходной каскад - усилитель мощности. Входной каскад, выполняемый обычно по схеме дифференциального усилителя, является наиболее важной частью ОУ, определяющей как входные параметры, так и погрешности усилителя в целом. Дифференциальный каскад в интегральном исполнении обладает высокой степенью симметрии, что позволяет значительно снизить дрейф нуля и уменьшить чувствительность к синфазным, т. е. действующим одновременно по обоим дифференциальным входам, помехам. Входной каскад также имеет наибольший коэффициент усиления, чтобы снизить усиление последующих каскадов, уменьшив при этом влияние их разбаланса на параметры ОУ. Второй и третий каскады интегрального ОУ обычно объединены и предназначены для некоторого усиления сигнала, согласования по уровню с выходным каскадом, а также для развязки входа и выхода усилителя. Выходной усилитель мощности ОУ служит для согласования выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т. е. обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. Рисунок 1. - Структурная схема интегрального операционного усилителя 96 Как правило, он выполняется в виде двухтактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме класса АВ или В. Иногда выходные каскады выполняются в виде однотактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме класса А. В некоторых ОУ в выходных каскадах предусмотрена схема защиты от перегрузок, ограничивающая максимальный выходной ток ОУ. Обычно операционные усилители рассчитаны на применение симметричных разнополярных источников питания, что упрощает задачу компенсации смещения нуля на выходе усилителя и предотвращает появление нежелательной постоянной составляющей в нагрузке. 2. Параметры ОУ Ознакомившись с устройством операционных усилителей, рассмотрим электрических параметров, определяющих основные свойства ОУ. Понимание значения того или иного параметра позволяет выбрать необходимый тип ОУ для каждого конкретного применения и схемотехнически обеспечить его работу в допустимом режиме. Обратимся к «идеальному» ОУ. «Идеальным» ОУ называется усилитель, обладающий очень высокими как принято говорить, идеальными параметрами. Основные характеристики такого ОУ следующие: коэффициент усиления бесконечно велик ( А ); полоса пропускания бесконечно велика ( F ); входное сопротивление бесконечно велико ( ВХ Z ); выходное сопротивление бесконечно мало ( 0 ВЫХ Z ); выходное напряжение равно нулю при нулевом напряжении на входе. Хотя такие высокие параметры не могут быть реализованы, развитие техники ОУ идет в направлении приближения характеристик реальных усилителей к идеальным, а качество ОУ определяется степенью этого приближения. 97 Переходя к реальным значениям параметров, характеризующих современные ОУ, необходимо иметь в виду, что параметры ОУ, охваченные цепями обратных связей, в конкретных схемах включения могут значительно отличаться от собственных параметров, рассматриваемых ниже. Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи обратной связи. В современных ОУ величина коэффициента усиления достигает десятков, а иногда и сотен тысяч. Коэффициент усиления ОУ без обратной связи зависит от сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения питания и др. редко используются с разомкнутой цепью обратной связи, за исключением случаев применения в компараторах напряжений. Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление для синфазных сигналов (Рис. 2). Дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Оно имеет величину - от нескольких кОм до нескольких мОм. Входное сопротивление для синфазного сигнала, т. е. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно земли, определяется сопротивлением между замкнутыми накоротко входами ОУ и заземляющей шиной. Входное сопротивление для синфазных сигналов обычно очень велико и составляет десятки мОм. 98 а б Рисунок 2. - Входное сопротивление операционного усилителя: а - для дифференциального сигнала; б - для синфазного сигнала Выходное сопротивление - это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения нагрузки. Для разных типов ОУ находится в пределах от 50 до 2000 Ом. Величина выходного сопротивления определяет максимальную силу выходного тока независимо от вида нагрузки. Этот параметр особенно важен для ОУ с разомкнутым контуром обратной связи, например для компараторов. Полоса пропускания определяется видом частотной характеристики ОУ, т.е. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Типовая идеализированная частотная характеристика ОУ (Рис. 3) имеет две характерные точки, лежащие на частотах f C и f 1 где f C - частота среза, соответствующая падению усиления на 3 дБ, т. е. до уровня 0,707; f 1 – частота усиления, на которой коэффициент усиления становится равным единице. Зависимость коэффициента усиления от частоты не полностью характеризует частотные свойства реального усилителя. С повышением частоты уменьшается также предельно достижимая амплитуда выходного сигнала из-за ограничения по току, наступающего в одном из каскадов ОУ. При этом сохраняется неизменной скорость нарастания выходного напряжения, максимальная величина, которой и используется для характеристики этой особенности ОУ. Максимальная скорость нарастания современных ОУ находится в пределах 0,3-50 В/мкс. Смещение уровня выходного напряжения ОУ. Как отмечалось выше, 99 идеальный ОУ при входном напряжении, равном нулю, должен иметь точно нулевое напряжение на выходе. Однако в реальном усилителе из-за неизбежного рассогласования параметров схемных элементов даже при отсутствии входного сигнала на выходе ОУ появляется небольшое постоянное напряжение. Величина этого напряжения, а главное, его уход (дрейф) в зависимости от температуры, времени и других факторов, который неотличим от полезного сигнала, является одним из главных ограничений, определяющим точность работы ОУ. Эти погрешности можно оценить с помощью приведенных ниже параметров. Рисунок 3. - Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя Напряжение смещения нуля определяется величиной напряжения, приложенного между входами усилителя, необходимого для приведения напряжения на выходе ОУ к нулю. Основную долю этого напряжения составляет разность напряжений база-эмиттер входных транзисторов дифференциального каскада. Напряжение смещения зависит от температуры и напряжения источников питания. Типичная паспортная величина напряжения смещения нуля 10-50 мВ. Величина дрейфа 1-50 мкВ/°С. Входные токи ОУ обусловлены конечной величиной входного сопротивления реального ОУ. Для характеристики входных токов используется параметр - начальный входной ток, который определяется входным сопротивлением ОУ; обычно сила входного тока составляет 1-100 100 мкА. Коэффициент подавления синфазных сигналов. Одно из важных достоинств ОУ - подавление совпадающих по фазе сигналов. В идеальном случае коэффициенты усиления по обоим входам должны быть одинаковы по величине и противоположны по знаку. И если к обоим входам приложено одинаковое напряжение, выходное напряжение не должно изменяться. Реально коэффициенты усиления по обоим входам не точно равны друг другу и на выходе присутствует выходное напряжение. Отношение изменения выходного напряжения к изменению входных напряжений, совпадающих по фазе, деленное на коэффициент усиления ОУ без обратной связи, называется коэффициентом подавления синфазного сигнала. Его величина лежит в пределах от 80 до 100 дБ. 3. Базовые схемы включения ОУ Инвертирующий усилитель, схема которого представлена на рисунке 4, преобразует входные сигналы, поступающие на инвертирующий вход ОУ, так, что выходной сигнал имеет фазу, противоположную фазе входного сигнала. Если при рассмотрении этой схемы считать ОУ «идеальным», у которого входной ток равен нулю, а коэффициент усиления А достаточно велик, то можно определить токи в схеме по закону Ома Рисунок 4. - Схема инвертирующего усилителя При этом i 1 = i OC , так как эти токи протекают по одной цепи. В то же 101 время из выражения ВХ ВЫХ Au u ' видно, что и' ВХ 0, так как А . С учетом этого в уравнениях для токов можно пренебречь членом и' ВХ . Тогда OC ВЫХ ВХ R u R u 1 или 1 R R u u К OC ВЫХ ВХ ; Как видно из этого выражения, коэффициент передачи К при инвертирующем включении целиком определяется параметрами элементов цепи обратной связи. Кроме того, напряжение и' вх на инвертирующем входе при достаточно большом коэффициенте усиления А и заземленном неинвертирующем входе («+») пренебрежимо мало, что позволяет рассматривать инвертирующий вход как точку «кажущейся земли». Из этого также следует, что входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению резистора R 1 , так как его правый вывод подключен к точке с «нулевым» потенциалом. Хотя коэффициент усиления реального ОУ на постоянном токе и низких частотах весьма велик, все же его величина конечна. С учетом этого коэффициент усиления инвертирующего усилителя имеет вид OC R R А А К 1 1 Следует отметить, что на низких частотах, где собственный коэффициент усиления ОУ велик, усиление схемы определяется практически только цепью обратной связи. На высоких же частотах глубина обратной связи падает из-за снижения величины А, которая начинает оказывать заметное влияние на усиление усилителя с замкнутой обратной связью. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя уменьшается при увеличении глубины обратной связи и определяется следующим соотношением: 1 R R A R R OC выхОУ ВЫХ 102 Это соотношение справедливо при условии 1 R R A OC ,когда собственный коэффициент усиления ОУ значительно больше отношения 1 R R OC , т. е. при условии достаточно глубокой отрицательной обратной связи. Полоса пропускания ОУ с замкнутой петлей обратной связи определяется значением частоты единичного усиления 1 f и увеличивается при снижении общего коэффициента усиления схемы 1 R R OC : 1 1 R R f f OC Выходное напряжение смещения инвертирующего усилителя из-за входных погрешностей на входе ОУ определяется следующим выражением: 1 1 2 2 1 1 R R R R I R I R R u u OC ВХ OC ВХ OC СМ ВЫХ Неинвертирующий усилитель, схема которого представлена на рис. 5, в отличие от предыдущей схемы не изменяет фазу входного сигнала и имеет очень большое входное сопротивление. Рисунок 5. - Схема неинвертирующего усилителя Входное сопротивление усилителя равно входному дифференциальному сопротивлению -R Д , умноженному на отношение собственного коэффициента усиления операционного усилителя А к усилению по неинвертирующему входу с замкнутой петлей обратной связи 103 Д OC ВХ R R R R A R 1 1 Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя определяется следующим выражением: 1 1 1 1 R R R R R К OC OC , и становится равным единице при 1 R или 0 OC R . В этом случае схема имеет наибольшее входное сопротивление и является по существу аналогом эмиттерного повторителя. Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя зависит от глубины обратной связи и выходного сопротивления ОУ при разомкнутой обратной связи: 1 1 ) ( AR R R R R OC выхОУ ВЫХ Для уменьшения выходных погрешностей за счет входных токов в схеме неинвертирующего усилителя сопротивление параллельно соединенных резисторов R 1 и R OC , должно быть равно сопротивлению источника сигнала, а для случая единичного усиления сопротивление резистора должно R OC быть равно сопротивлению источника сигнала. При использовании емкостной связи с источником сигнала вход неинвертирующего усилителя нельзя оставлять незаземленным. В этом случае сопротивления резисторов R 1 и R OC должны выбираться в соответствии с сопротивлением резистора, включен ного с неинвертирующего входа на землю. Суммирующий усилитель, схема которого представлена на рисунке 6, является частным случаем инвертирующего усилителя, на выходе которого получается инвертированный сигнал, пропорциональный алгебраической сумме входных сигналов. 104 Рисунок 6. - Схема суммирующего усилителя Усиление каждого входного сигнала равно отношению сопротивления резистора R OC к сопротивлению соответствующего входного резистора. Ширина полосы пропускания определяется так же, как у инвертирующего усилителя, где в качестве входного сопротивления подразумевается сопротивление параллельно соединенных входных резисторов сумматора. Главным достоинством сумматора является то, что суммирование производится без взаимных помех источников сигнала, так как эти сигналы суммируются в точке с «нулевым» потенциалом. Выходное напряжение сум матора равно OC ВЫХ R R u R u R u u 3 3 2 2 1 1 Условия правильного включения ОУ те же самые, что и для инвертирующего усилителя. Дифференциальный (разностный) усилитель, схема которого показана на рисунке 7, усиливает разность двух входных напряжений и является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Эта схема позволяет преобразовать дифференциальный незаземленный источник сигнала в источник, выходное напряжение которого изменяется относительно земли (корпуса). 105 Рисунок 7. - Схема дифференциального усилителя Коэффициент усиления равен: 1 1 2 1 3 3 2 1 u R R u R R R R R R K OC OC Для случая, когда R 1 + R 2 R 3 = R OC коэффициент усиления равен ) ( 1 2 1 u u R R K OC Этот случай соответствует минимальной входной погрешности за счет входных токов. Ширина полосы пропускания определяется так же, как и для инвертирующего усилителя. Входные сопротивления дифференциального усилителя по двум входам не обязательно одинаковы. Входное сопротивление по инвертирующему входу такое же, как у инвертирующего усилителя, а по неинвертирующему - равно сумме сопротивлений резисторов R 2 и R 3 . Интегратор. Схема интегратора совершенно идентична схеме инвертирующего усилителя за исключением того, что вместо резистора обратной связи здесь включен конденсатор. 106 Рисунок 8. - Схема интегратора Это устройство предназначено для выполнения математической операции интегрирования. В интеграторе скорость изменения выходного напряжения пропорциональна напряжению на входе и обратно пропорциональна постоянной времени C R 1 : dt u C R u T ВХ ВЫХ 0 1 1 , т. е. на выходе интегратора будет формироваться линейно-нарастающее (спа дающее) напряжение. При ступенчатом изменении входного сигнала скорость изменения выходного напряжения будет равна C R u t u ВХ ВЫХ 1 Для синусоидального входного сигнала интегратор является фильтром нижних частот, коэффициент усиления которого обратно пропорционален частоте. Выходное напряжение «идеального» интегратора не изменяется, если напряжение на входе становится равным нулю, т. е. входной ток равняется нулю. Он как бы хранит предыдущее значение. Это свойство интегратора используется в схеме динамического запоминающего устройства. Однако реально выходное напряжение интегратора при нулевом входном напряжении изменяется, достигая в пределе величины максимального выходного напря жения ОУ, за счет того, что конденсатор С перезаряжается входным током ОУ и током смещения, определяемым входным напряжением смещения и входным резистором R 1 ,. Для установки начальных условий |