Лабораторная работа. Лабораторная-работа-№-2. Лабораторная работа 12 Исследование операционных усилителей и схем на их основе
 Скачать 261.71 Kb.
|
Лабораторная работа № 12 Исследование операционных усилителей и схем на их основе Цель работы – изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя; измерение основных параметров операционного усилителя; исследование масштабных усилителей на операционных усилителях. 12.1. Краткие теоретические сведения Операционный усилитель (ОУ) – многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, обладающий большим коэффициентом усиления, высо- ким входным и малым выходным сопротивлениями. ОУ выполняется в виде интегральной микросхемы и является одним из основных элементов аналоговой схемотехники, на основе которого можно создавать самые раз- нообразные электронные устройства: усилители, генераторы, сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, активные фильтры и др. Реализация различных устройств на базе ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Операционные усилители имеют один выход и два входа: инвертирующий и неин- вертирующий. В большинстве случаев сигнал подается на один из входов, а второй вход соединяется с нулевым проводом. При этом, если сигнал подается на инверти- рующий вход, то помимо усиления осуществляется его инвертирование (изменение зна- ка). Питание ОУ обычно осуществляется двухполярным (биполярным) напряжением, которое подводится к соответствующим выводам (+U П и –U П ). Кроме того, ОУ может иметь выводы FC для подключения цепей частотной коррекции и выводы NC – для под- ключения элементов начальной балансировки (установки нуля на выходе при нулевом входном сигнале). Условное графическое обозначение ОУ на принципиальных схемах приведено на рис. 12.1а. Его выполняют в виде прямоугольника с дополни- тельными полями, в которых указывают назначе- ние выводов. Инвертирующий вход обозначается знаком «о» или «–». При построении конкретного электронного уст- ройства различаются только способы подключе- ния входов и выхода ОУ. Поэтому на функцио- нальных схемах используется упрощенное обо- значение, содержащее только три указанных вывода (рис. 12.1б,в). Подключение ос- тальных выводов, как правило, соответствует типовой схеме включения, т.е. цепи кор- рекции и балансировки для конкретного ОУ являются типовыми и приводятся в справочниках. В качестве примера на рисунке 12.2 приведена одна из схем включения операционного усилителя К140УД6. Некоторые типы ОУ не требуют внешних цепей коррек- ции и балансировки. Внутренняя структура ОУ обычно представлена тремя состав- ными частями, имеющими определенное функциональное назна- чение. Входным каскадом является дифференциальный усили- тель. Он обладает высоким входным сопротивлением, имеет Рис. 12.1 Условное графическое обо- значение ОУ на схемах. Рис.12.2. Схема вклю- чения ОУ К140УД6 2 большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым (синфазным) сигналам на входах. Он также в значительной степени ослабляет влияние изменений температуры и напря- жения питания на выходной сигнал. Промежуточные каскады (один или несколько) обеспечивают необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласова- ние выходного и входного сопротивлений предыдущего и последующего каскадов. Вы- ходной каскад, который, как правило, выполняется по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности. В зависимости от типа ОУ схемы построения каскадов могут иметь свои особенности, а число промежуточных каскадов может быть различным. Однако внутренняя структура ОУ и функциональное назначение отдельных каскадов при этом не изменяются. На ри- сунке 12.3 приведен один из типовых вариантов схемы ОУ. На транзисторах VT1, VT2 выполнен дифференциальный усилитель. Для задания эмиттерного тока транзисторов VT1, VT2 используется источник стабильного тока на транзисторах VT3 и VT4, выполненный по схеме «токового зеркала». Резисторы R Э1 и R Э2 компенсируют отличия входных характеристик транзисторов VT1, VT2 и увеличива- ют входное сопротивление усилителя за счет местной последовательной ООС по току нагрузки каждого из транзисторов. В качестве промежуточных каскадов используются дифференциальный усилитель на транзисторах VT5 и VT6 и усилитель, выполненный по схеме ОЭ на транзисторе VT7. Они обеспе- чивают дальнейшее усиление сигнала по току, а также усиление по напряже- нию до требуемого уровня. Темпера- турная стабилизация тока VT7 обеспе- чивается введением ООС по току на- грузки с помощью резистора R Э4 В выходном каскаде ОУ использу- ется двухтактный усилитель мощности на транзисторах VT8 и VT9, работаю- щий в режиме класса усиления АВ. Начальный ток транзисторов задаётся напряжением смещения диодов VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают и температурную стабилиза- цию тока покоя выходного усилителя. Резисторы R Э5 и R Э6 компенсируют влияние неидентичности парамет- ров комплементарной пары транзисторов VT8, VT9. Вывод U КОР используется для подключения элемен- тов частотной коррекции. Свойства ОУ определяются его статическими и динамическими характеристиками. Статические передаточные характеристики ОУ представлены на рисунке 12.4. Они получены при по- даче сигнала на один из входов и нулевом сигнале на Рис. 12.4 Передаточные харак- теристики ОУ Рис. 12.3 Упрощённая схема трехкаскадного ОУ 3 другом входе. Характеристики имеют горизонтальный и наклонный участки. Наклонный участок каждой кривой соответствует области линейного усиления сигна- ла. На этом участке выходное напряжение U ВЫХ = K U0 ·U ВХ , где K U0 – коэффициент уси- ления ОУ без обратной связи, U ВХ - входное напряжение. Горизонтальные участки кривых соответствуют области насыщения, в которой U вых принимает одно из предельных значений + U ВЫХ max либо –U ВЫХ max . Этими значениями ограничивается амплитуда выходного сигнала. Режим насыщения достигается при K U0 ·U ВХ > U ВЫХ max . По абсолютному значению U ВЫХ max обычно на 2…3 В меньше напря- жений питания U П . При U П = ±15 В диапазон изменения U ВЫХ близок к ±12 В. При расчё- те обычно принимают U ВЫХ. max = 2/3 U П , для того чтобы ОУ гарантированно работал в линейной области. К динамическим относятся переходные и частотные характеристики ОУ. На практике при выборе ОУ и расчёте построенных на их основе схем руководствуют- ся основными параметрами, которые приводятся в справочниках. К ним относятся: – коэффициент усиления по напряжению K U0 характеризует способность ОУ усили- вать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал (обычно 10 3 …10 6 ); – входное сопротивление R ВХ0 – сопротивление ОУ по отношению к входному сигна- лу. Различают дифференциальное входное сопротивление R ВХ.ДИФ. , т.е. сопротив- ление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление R ВХ.СИНФ. , т.е. сопротивление между объединёнными входными выводами и «зем- лёй». Обычно в справочниках приводится значение только дифференциального входного сопротивления, которое в 10…100 раз меньше синфазного и составляет 10 4 …10 10 Ом; – выходное сопротивление R ВЫХ.0 – внутреннее сопротивление ОУ, рассматриваемо- го по отношению к нагрузке как эквивалентный источник ЭДС (для большинства ОУ 10…1000 Ом); – входное напряжение смещения U СМ характеризует разбаланс и несимметрию вход- ного дифференциального каскада ОУ и численно равно постоянному напряжению, которое необходимо приложить к входу ОУ, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю (как правило 1…10 мВ); – входной ток I ВХ (входной ток смещения)– ток на входах ОУ, необходимый для рабо- ты входного каскада (менее 10 мкА); – разность входных токов DI ВХ (ток сдвига) – разность входных токов смещения, ко- торая появляется вследствие неодинаковых коэффициентов передачи тока h 21Э транзисторов входного каскада ОУ (менее 1 мкА); – коэффициент ослабления синфазного сигнала (K ОС.СФ. ) характеризует способ- ность ослаблять синфазные (приложенные к двум входам одновременно) сигналы (обычно составляет 50…120 дБ). Динамические свойства ОУ обычно характеризуются двумя параметрами: – предельной частотой (F max ), на которой модуль коэффициента усиления равен 1 или частотой единичного усиления ( F 1 ), что то же самое; – максимальной скоростью нарастания выходного напряжения (V Uвых. ), которая из- меряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы амплитудой бо- лее 0,1 В (для большинства ОУ 0,1…10 В/мкс). 4 Применение ОУ весьма разнообразно. Однако следует отметить, что во всех случаях ОУ используется с цепями отрицательной обратной связи (ООС), снижающими его ко- эффициент усиления. Без этого нормальная работа устройства невозможна. Цепи ООС могут быть построены на резисторах, либо с использованием реактивных элементов. В последнем случае ООС является частотно зависимой. Таким образом, использование соответствующих цепей ООС позволяет обеспечить требуемую функциональную зави- симость между входным и выходным сигналами. Если параметры цепи ООС выбрать так, чтобы проходящие по ней токи были на 1…2 порядка больше входных токов ОУ, то влияние параметров последнего на свойства уст- ройства будет незначительно, т.е. функциональная зависимость между входным и вы- ходным сигналами будет определяться главным образом цепью ООС. Выбор парамет- ров цепей ООС при построении устройств на ОУ обычно осуществляют с учетом указан- ного условия. Для этого принимают сопротивление в цепи ООС П ОС ВХ 2 3 U R I d × £ , (12.1) где d – допустимая погрешность от влияния входного тока ОУ (обычно 4 3 10 10 - - K ). Инвертирующий усилитель обеспечивает усиление сиг- нала по мощности с изменением знака (инвертированием). Его схема приведена на рисунке 12.5. В этой схеме входной сигнал подаётся на инвертирующий вход ОУ, а его неинвер- тирующий вход соединен с нулевым проводом. При выпол- нении условия (12.1) с достаточной точностью можно счи- тать, что коэффициент усиления по напряжению ОС U 1 R K R » - , (12.2) а выходное напряжение U ВЫХ = K U ·U ВХ Включение резистора R КОР , имеющего сопротивление 1 ОС КОР 1 ОС R R R R R = + , (12.3) повышает точность работы схемы за счет компенсации влияния входных токов I ВХ ОУ. Входное сопротивление инвертирующего усилителя R ВХ ≈R 1 Если R 1 = R ОС , то K U = –1 и получаем схему инвертирующего повторителя напряжения (инвертора), у которого U ВЫХ = –U ВХ Неинвертирующий усилитель обес- печивает усиление сигнала без измене- ния знака (рис. 12.6а). В этой схеме входной сигнал подаётся на неинверти- рующий вход ОУ, а на его инвертирую- щий вход с помощью делителя выходно- го напряжения, выполненного на рези- сторах R 1 и R ОС , подаётся напряжение ООС. Коэффициент усиления неинвер- Рис. 12.6 Неинвертирующие схемы включения ОУ: а – усилитель; б – повторитель Рис. 12.5 Инвертирующая схема включения ОУ 5 тирующего усилителя по напряжению ОС U 1 1 R K R » + , (12.4) при этом R ОС выбирается исходя из условия (12.1). При выполнении условия R ОС = 0 и R 1 → ∞ получаем схему неинвертирующего по- вторителя напряжения с K U ≈ 1, т.е. U вых ≈ U вх (рис. 12б). Входное сопротивление повто- рителя напряжения на ОУ может составлять 10 7 …10 12 Ом, а выходное – доли Ом. Для повышения точности работы ОУ включают резистор R КОР , сопротивление которо- го определяется по формуле (12.3), однако включение этого резистора приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя, т.к. в этом случае R ВХ ≈ R КОР Инвертирующий сумматор может быть построен на основе инвертирующего усили- теля (рис. 12.7а) путем добавления соответствующего числа входов. При этом ОС ОС ОС ВЫХ ВХ1 ВХ2 ВХ3 1 2 3 R R R U U U U R R R æ ö = - + + ç ÷ è ø , (12.5) если R 1 = R 2 = R 3 = R ОС , то ( ) ВЫХ ВХ1 ВХ2 ВХ3 U U U U = - + + Если ОУ работает в нелинейном режи- ме, то приведённые соотношения не справедливы. Дифференциальный усилитель пред- ставляет собой сочетание инвертирующе- го и неинвертирующего включения ОУ (рис. 12.7б). Входные напряжения U ВХ1 и U ВХ2 подаются соответственно на инвер- тирующий и неинвертирующий входы. Выходное напряжение данной схемы ОС 3 ОС ВЫХ ВХ1 ВХ2 1 2 3 1 1 R R R U U U R R R R æ ö = - + + ç ÷ + è ø , (12.6) если R ОС /R 1 = R 3 /R 2 , то ( ) ОС ВЫХ ВХ1 ВХ2 1 R U U U R = - + Следовательно, выходное напряжение такого устройства прямо пропорционально разности входных напряжений. Многовходовый сумматор-вычитатель (рис.12.8) обеспечива- ет выходной сигнал, пропорциональный линейной комбинации нескольких входных сигналов, подаваемых на оба входа. Выходное напряжение данной схемы ОС ОС ОС ВЫХ 1 2 N 1 2 N ОС ОС ОС 1 2 M 1 2 M ' ' ' , ' ' ' R R R U U U U R R R R R R U U U A R R R = - - - - + æ ö + + + + ´ ç ÷ è ø K K (12.7) где 1 2 N OC ДОП 1 2 M ДОП 1 1 1 1 1 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' R R R R R A R R R R R é ù + + + + + ë û = é ù + + + + + ë û K K , выраже- Рис.12.8 Сумматор - вычитатель Рис. 12.7 Инвертирующий сумматор (а) и диф- ференциальный усилитель (вычитатель)(б) 6 ния в квадратных скобках принимаются во внимание только при включении соответст- вующих резисторов. Расчёт схемы (рис.2) производится следующим образом. Вначале выбирается значение R ОС . После этого, исходя из заданных коэффициентов усиления для различных сигналов, определяют сопротивления входных резисторов. Значение сопротивления резистора R' обычно принимается равным значению R ОС . Схе- ма считается сбалансированной, когда А=1. Для обеспечения этого равенства в цепь инвертирующего входа включается резистор R ДОП , если числитель А меньше знамена- теля, в противном случае в цепь неинвертирующего входа (параллельно R') включается резистор R' ДОП . В любом случае значение сопротивления дополнительного резистора рассчитывается по формуле: ( ) ДОП 1 2 N OC 1 2 M 1 1 1 1 1 1 ' 1 ' 1 ' 1 ' R R R R R R R R R = + + + + - + + + + K K (12.8) 12.2. Порядок выполнения работы. i Тип операционного усилителя задаётся преподавателем. i Для всех исследуемых схем напряжение питания ОУ U П = ±15 В. Задание 1: Определение основных параметров операционных усилителей а) собрать схемы, представленные на рис. 12.9; б) провести соответствующие измерения и рассчитать основные параметры операци- онного усилителя следующим образом: I ВХ– рассчитывается по формуле ВЫХ СМ ВХ 1 U U I R - - = ; I ВХ+ рассчитывается по формуле ВЫХ СМ ВХ 2 U U I R + - = ; ВЫХ 0 А СМ U K U U = - , где А U – потенциал точки А относительно «земли». Задание 2: Исследование инвертирующего усилителя а) собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 12.5); б) задать значение сопротивлений R 1 = 1 кОм и нагрузки R Н = 10 кОм; в) подать на вход усилителя синусоидальный сигнал с амплитудным значением напря- жения U ВХ = 5 мВ и частотой f = 10 кГц; г) задавая значения сопротивления R ОС = 1; 2; 5; 10; 100 и 1000 кОм определить ампли- тудные значения выходного напряжения U Н ; д) по результатам эксперимента вычислить коэффициент усиления по напряжению K U и X1 X2 R1 10K X3 R2 10K X4 R3 1K R4 1K V3 Схема для измерения Iвх+ Схема для измерения Iвх- Схема для измерения Uсм VE VC VE VC VE VC Схема для измерения коэффициента усиления Kо VC VE Out1 A Рис.12.9 Схемы включения операционного усилителя для измерения его основных парамет- ров 7 сравнить с теоретическим значением K U , рассчитанным по формуле (12.2); е) результаты измерений и расчётов свести в таблицу; ж) построить расчётную и экспериментальную кривые K U = f(R ОС ) и объяснить возмож- ные расхождения; з) получить ЛАЧХ исследуемой схемы в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц при R ОС = 1000 кОм и определить частоту единичного усиления F 1 (частота, на которой мо- дуль коэффициента усиления K U = 1). Задание 3: Исследование неинвертирующего усилителя а) собрать схему инвертирующего усилителя (рис. 12.6) и выполнить измерения анало- гично пунктам а) – г) Задания 2 при тех же значениях входного напряжения и сопротив- лений R ОС ; б) по результатам эксперимента вычислить коэффициент усиления по напряжению K U и сравнить с теоретическим значением K U , рассчитанным по формуле (12.4); в) результаты измерений и расчётов свести в таблицу; г) построить расчётную и экспериментальную кривые K U = f(R ОС ) и объяснить возможные расхождения. Задание 4: Исследование дифференциального усилителя а) собрать схему дифференциального усилителя (рис. 12.7б), подключить ко входам ис- точники э.д.с. с заданными значениями U ВХ1 и U ВХ2 ; б) рассчитать по формуле (12.6) сопротивления резисторов для обеспечения заданного преподавателем K U1 = K U2 (принять R ОС =100 кОм); в) определить выходное напряжение U ВЫХ и сравнить с рассчитанным по формуле (12.6) значением. Задание 5: Исследование сумматора-вычитателя а) собрать схему (рис. 12.8) для выполнения операции U вых = –K U1 U 1 –…–K UN U N +K' U1 U' 1 +…+ K' UM U' М ; рассчитать сопротивления резисторов для обеспечения заданных преподавателем K U1 , K U2 , K U3 , … (принять R ОС =100 кОм); б) определить расчетным и экспериментальным способом U вых при заданных значениях U 1 , U 2 , U 3 , … и сравнить их (вычислить расхождение). 12.3. Контрольные вопросы 1. Какие выводы содержит ОУ и для чего они предназначены? 2. Из каких каскадов состоит операционный усилитель? 3. Какими основными параметрами характеризуется ОУ. 4. В чём причина возникновения напряжения смещения и входных токов в ОУ? 5. Чем ограничивается выходное напряжение ОУ? 6. Почему для работы ОУ необходимо наличие цепей ООС и в чем их назначение? 7. Как измеряются основные параметры ОУ? 8. Как рассчитываются коэффициенты усиления для различных схем включения ОУ? |