Изучение принципа работы и измерение основных параметров и характеристик операционных усилителей

Вид материала

Документы

Содержание Операционный усилитель Рис.2 Упрощенная схема операционного усилителя. Выход операционного усилителя стремится к такому состоянию, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Входы операционного усилителя ток не потребляют. Список рекомендуемой литературы

Подобный материал:

• Полупроводниковые приборы, 355.8kb.
• Исследование интегрирующих и дифференцирующих цепей, 177.42kb.
• Утверждаю, 155.97kb.
• Целью данной работы является изучение основных принципов действия активных фильтров,, 248.58kb.
• Операционные системы и оболочки, 47.59kb.
• Методы испытаний взрывчатых веществ (ВВ). Изучение средств взрывания, 36.71kb.
• Тема: «Проектирование усилительных устройств на базе интегральных операционных усилителей», 204.13kb.
• Задачи Измерить напряжение смещения нуля изучаемого, 279.8kb.
• Методические указания к лабораторной работе по исследованию статических характеристик, 104.56kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины "вакуумные и плазменные приборы и устройства", 173.67kb.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ


Цель работы: Изучение принципа работы и измерение основных параметров и характеристик операционных усилителей. Компьютерное моделирование базовых функциональных устройств на основе операционных усилителей.

1. Дифференциальный каскад как базовый элемент аналоговых интегральных микросхем
   

Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока, операционные усилители, цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики, является дифференциальный каскад.

Дифференциальный усилительный каскад (рис.1) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами Т₁ и Т₂. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста).

На транзисторе Т₃ собрана схема источника стабильного тока I_э, определяющего сумму эмиттерных токов I_э1 и I_э2 транзисторов Т₁ и Т₂. Для определения тока I_э необходимо знание напряжения между точками схемы 1 и 2.


I_э=(U_1-2 – 0,6) / R₃ = (I₁R₂ – 0,6) / R₃.


Питание каскада производится от источников +Е_к1 и – Е_к2 с равными напряжениями относительно общей точки (земли).

С помощью напряжения Е_к2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных смещений.

Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов Т₁, Т₂ и равенства сопротивлений R_к1, R_к2.

Благодаря этому, при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, U_вых = U_{вых 1} – U_{вых 2} = 0. Идентичность параметров транзисторов Т₁ и Т₂ легко достигается при интегральном исполнении, когда их изготовление осуществляется в едином технологическом процессе на общем кристалле полупроводника.


+ Е_к1


R_к1 I_к1 I_к2 R_к2


U_{вых 1} U_вых U_{вых 2}

Т₁ Т₂


U_{вх 1} I_э1 I_э2 U_{вх 2}


I_э

1 R₁

+


R₃ R₂

I₁

Рис.1 - E_к2

2


Если U_вх1 и U_вх2 замкнуты на общую точку схемы (землю), то U_вх = 0. Ток I_э делится поровну между двумя транзисторами I_э1= I_э2= I_э/2. Значение эмиттерных токов определяются входными токами смещения (базовыми токами покоя):

.

Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство их коллекторных токов I_к1 = I_к2 = αI_э / 2 ≈ I_э / 2 и напряжений на коллекторах: U_к1 = U_к2 = E_к1 – I_эR_к / 2, где R_к= R_к1 = R_к2. Данное состояние схемы характеризует режим баланса каскада или режим покоя.

U_вх1 = U_вх2 = 0, U_вых = U_к1 – U_к2 = 0.

Пусть U_вх1 ≠ 0, при U_вх2 = 0. Предположим, что напряжение входного сигнала U_вх1 имеет положительную полярность.

Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток I_вх, увеличивающий ток базы транзистора Т₁ и уменьшающий ток базы транзистора Т₂. При этом токи I_э1 и I_к1 увеличиваются, а токи I_э2 и I_к2 уменьшаются. Изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов I_э1+I_э2 = I_э остается неизменной.

Изменения коллекторных токов вызывают изменение потенциальной диаграммы каскада. Напряжение U_к1 = Е_к1 – I_к1R_к1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -∆U_к1, противоположное по знаку напряжению входному U_вх1.

Напряжение U_к2 = Е_к1 – I_к2R_к2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +∆U_к2 того же знака, что и напряжение входного сигнала.

Таким образом, для рассматриваемого способа подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора Т₁ (U_вых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора Т₂ (U_вых2) – неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:


.


Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов становится равным нулю, а ток I_э протекает только через один из транзисторов (Т₁). Тогда:

U_{вых 1} = Е_{к 1} - I_э·R_к

U_{вых 2} = Е_{к 1}

U_вых = U_{вых 2} – U_{вых 1} ≈ I_э·R_к

Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности входного сигнала или при подключении его к другому входу.

Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада.

Входной ток каскада:

,

где R_вых – выходное сопротивление источника сигнала U_вх.

Входной ток создает приращение коллекторных токов ± ΔI_к = ± βI_вх и напряжений на коллекторах: ± ΔU_вых1.2 = ± ΔI_кR_к = ± βI_вхR_к.

Коэффициент усиления по напряжению каскада (по обоим выходам U_вых1, U_вых2):

.

Коэффициент усиления по дифференциальному выходу (U_вых):

.

Весьма важным параметром дифференциального каскада является крутизна его передаточной характеристики S, т.е. величина, количественно характеризующая степень влияния U_вх на коллекторный ток транзисторов Т₁ и Т₂.


.


Так как I_к1 + I_к2 = αI_э = const, то dI_к1 = - dI_к2. Следовательно, . Максимальное значение крутизны передаточной характеристики получается при U_вх=0 .

С учетом этого усилительные свойства дифференциального каскада можно записать в более компактном виде с учетом комбинаций подачи входного напряжения и снятия выходного.

1. Симметричный вход – несимметричный выход.
   

Для первого выхода

Для второго выхода , или , где S₁(S₂) – крутизна передаточной характеристики в рабочей точке.

2. Симметричный вход – симметричный выход.
   

.

2. Основные сведения об операционных усилителях
   

Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближается к воображаемому “идеальному усилителю”. С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства:

1. бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А→ ∞);
   
2. бесконечное полное входное сопротивление (Z_вх → ∞);
   
3. нулевое полное выходное сопротивление (Z_вых → 0);
   
4. равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах (U₁ = U₂);
   
5. бесконечная ширина полосы пропускания (∆f_пр= ∞).
   

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 100000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

Первый каскад операционного усилителя – это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов U₂ – U₁ и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы). Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина Z_вх и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

+U


Инв.вх.

Вых.


Неинв. вх.

-U Частотная корр.

Рис.2 Упрощенная схема операционного усилителя.

За входным каскадом, как показано на рис.2, следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения сдвига на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току.

Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.

На рис.3 для примера показано условное обозначение и цоколевка операционного усилителя К544УД2.

+U

1


Инверт. 2 7

вход -

6 выход

Неинв. 3

Вход 8

4

5


- U Рис. 3


7, 4 - выводы питания операционного усилителя;

1 – 8 - выводы частотной коррекции. Эти выводы используются

для предотвращения генерации операционного усилителя, если

последний не имеет внутренней коррекции;

6 - выход. Вывод, с которого снимается усиленное напряжение;

2 – инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход

заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал

выхода окажется сдвинутым по фазе на 180˚ относительно

сигнала на входе;

3 – Неинвертирующий вход. Если инвертирующий вход

заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то

выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе.


Основные параметры операционных усилителей

1. Коэффициент усиления без обратной связи (А).
   
2. Выходное напряжение сдвига (U_сдв). Небольшое нежелательное напряжение, возникающее внутри усилителя при нулевом напряжении на обоих входах. Является следствием неточного согласования напряжений эмиттер–база входных транзисторов. Обычно U_сдв равно нескольким милливольтам.
   
3. Входной ток смещения (I_см). Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.
   
4. Входной ток сдвига (I_сдв). Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. .
   
5. Входное сопротивление R_вх. Сопротивление усилителя по отношению к входному сигналу. Как правило, R_вх превышает единиц мегаом.
   
6. Выходное сопротивление R_вых. Внутреннее сопротивление усилителя по отношению к нагрузке. Обычно R_вых не превосходит нескольких сотен Ом.
   
7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.
   
8. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем.
   
9. Потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки), рассеиваемая операционным усилителем.
   
10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (V). Измеряется в вольтах в микросекунду.
    
11. Напряжение питания.
    
12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход ступеньки напряжения.
    

Важнейшие правила

Операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на доли милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому:

1. Выход операционного усилителя стремится к такому состоянию, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
   

Операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток менее десятков наноампер. Поэтому можно сформулировать второе правило:

2. Входы операционного усилителя ток не потребляют.
   

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения и расчета схем на операционных усилителях.


Повторитель напряжения

В схеме на рис.4 U_вых подается непосредственно на инвертирующий вход. Напряжение между входами U_д – это то напряжение, которое усиливается с коэффициентом усиления А. Напряжение на выходе усилителя U_вых = U_д · А.





U_д

U_вых

U_вх


Рис.4


Из закона Кирхгофа имеем U_вх + U_д = U_вых. Поскольку U_вых=U_д·А, получим, что U_д=U_вых/А. Следовательно, . Если А – приближается к бесконечности, то U_вых/А стремится к нулю, и в результате получаем равенство U_вх=U_вых.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим буферным каскадом.


Неинвертирующий усилитель

Схема на рис.5 позволяет использовать операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя с высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос.





U_вх U_д

U_вых


R₁ R_ос


Рис. 5


Чтобы получить выражение для коэффициента усиления нашей схемы, напомним, что , так как R_вх → ∞. Имеем

и .

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно , поэтому

.

Следовательно, .

Поскольку U_вых = U_д · А и U_д=U_вых / А, то если, как мы предположили, А → ∞ и U_д ≈ 0, можно написать . Откуда найдем коэффициент усиления схемы U_вых / U_вх, который обычно называют коэффициентом усиления с замкнутой обратной связью K_ос. Решая уравнение , получим .

Таким образом, значение сопротивления R_ос и R₁ определяют коэффициент усиления схемы по напряжению. Формула верна в случае, когда А » K_ос.


Инвертирующий усилитель



R₁ А R_ос


U_вх U_д

U_вых


Рис. 6


Как следует из самого названия, входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180º. Если на схему подать положительное U_вх, то U_д станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться до тех пор пока напряжение на инвертирующем входе (точка А на рис.6) не станет почти нулевым: U_д = U_вых / А ≈ 0.

Таким образом, R₁ и R_ос действует как делитель напряжения между U_вых и U_вх, и отношение U_вых / U_вх равно таковому для R_ос/R₁. Точку А часто называют потенциальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как U_д, как правило, весьма мало.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, еще раз напомним, что , а R_вх усилителя весьма велико. Поскольку и , можно написать, что:

.

Знак минус перед правой частью этого равенства означает, что выход инвертирован. Полагая U_д = 0 (так как А → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен .

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R₁, в силу того, что, благодаря обратной связи, в точке А на рис.6 сохраняется приблизительно нулевой потенциал. Сопротивление R₁ должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.


Усилитель с дифференциальным входом

Перед тем как начать рассматривать схему этого усилителя (рис.7), напомним, что разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ), так как очень мало отношение U_вых / А. Поэтому в данном разделе мы будем считать, что инвертирующий и неинвертирующие входы находятся под одинаковым напряжением, равным U_ос.


R₁ R_ос




U₁


U_д=0

U₂ U_вых

R₂ R΄_ос


U_oc

Рис. 7


Заметим, что если U₂ на рис.7 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U₁ как инвертирующий усилитель.

Теперь, если задать U₁ равным нулю и подать входной сигнал по входу U₂, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R₂ и R΄_ос. Если оба напряжения U₁ и U₂ подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R₁ и R_ос станет равным U_ос, где .

Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление,

имеем .

Приравняв второй и четвертый члены и, решая полученное уравнение относительно U_вых, имеем:

.

Подставляя выражение для U_ос, получим:

.

Если положить R₁ = R₂ и R_oc = R´_oc (ситуация, которая наиболее часто встречается), получим . Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U₁ и U₂.


Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены между собой по постоянному току гальваническими связями, поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них приходится рассматривать только спад коэффициента усиления с возрастанием частоты.


K(дб)

100 f₁

80

60

40 f_{1 ос}

20 Рис.8


10² 10⁴ 10⁶ f, Гц


На рис.8 показана типичная частотная характеристика операционного усилителя.


Что вынуждает коэффициент усиления падать при возрастании частоты?

Вернувшись к рис.2, можно видеть, что приведенная там схема не имеет никаких конденсаторов; однако, следует помнить, что любая схема, – будь то интегральная схема или схема на дискретных компонентах, – содержит металлические проводники, отделенные друг от друга изоляторами. Это означает, что сам монтаж схемы обладает некоторой распределенной паразитной емкостью. Напомним также, что некоторой емкостью обладает любой p-n – переход в полупроводнике. При возрастании частоты эти паразитные емкости закорачивают на землю все большую часть сигнала переменного тока и, в конце концов, весь сигнал уходит на землю через паразитную емкость и не достигнув нагрузки.





U_вых

U_д = U_вх


R_н


Рис. 9

При вычислениях эти распределенные паразитные емкости можно объединить, как если бы они являлись одним конденсатором, и каждый каскад операционного усилителя представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника напряжения, сопротивления и паразитной емкости, как показано на рис.9.

При возрастании частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, что приводит к уменьшению полного сопротивления комбинации из включенных параллельно R_н и С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой напряжение на выходе U_вых окажется меньше, чем АU_д.

Выражение для коэффициента усиления А на любой частоте


имеет вид , где А – коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f – рабочая частота; f₁ – граничная частота или частота при 3 дБ, т.е. частота, на которой А(f) на 3 дБ ниже А, или равен 0,707·А.

Если, как это обычно бывает, R_н » R_вых, то .

Обычно амплитудно-частотная характеристика дается в рационализированной форме:


.

Отметим еще раз, что f есть переменная, которая представляет интересующую нас частоту, в то время как f₁ – фиксированная частота, которая называется граничной или сопрягающей частотой и является характеристикой конкретного усилителя. Можно видеть, что увеличение частоты приводит к падению коэффициента усиления по напряжению.

Кроме того, из выражения для θ видно, что при изменении частоты, фаза выходного сигнала сдвигается относительно фазы входного; - выходной сигнал отстает по фазе от входного.

Добавление отрицательной обратной связи так, например, как это сделано в инвертирующем или неинвертирующем усилителях, увеличивает эффективную полосу пропускания операционного усилителя.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим выражение для коэффициента усиления без обратной связи усилителя со спадом 6дБ / октава (при двукратном увеличении частоты):


, где А(f) – коэффициент усиления без обратной связи на частоте f; А – коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f₁ – сопрягающая частота. Подставляя это соотношение в выражение для коэффициента усиления при наличии обратной связи , получим


.


Это выражение можно переписать в виде , где f_1oc = f₁(1+Аβ); K₁ – коэффициент усиления с замкнутой обратной связью на низких частотах; f_1oc – сопрягающая частота при наличии обратной связи.

Сопрягающая частота при наличии обратной связи равна сопрягающей частоте без обратной связи, умноженной на (1+Аβ)>1, так что эффективная ширина полосы пропускания действительно увеличивается при использовании обратной связи. Это явление показано на рис.8, где f_1oc > f₁ для усилителя с коэффициентом усиления равным 40 дБ.

Если скорость спада усилителя составляет 6дБ/октава, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания постоянно: Kf₁ = const. Чтобы убедиться в этом, умножим идеальный коэффициент усиления на низких частотах на верхнюю частоту среза того же усилителя при наличии обратной связи.

Тогда получим произведение усиления на полосу пропускания:

, где А – коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах.

Если раньше было показано, что для увеличения полосы пропускания с помощью обратной связи следует уменьшить коэффициент усиления, то теперь выведенное соотношение дает возможность узнать, какой частью коэффициента усиления необходимо пожертвовать для получения желаемой полосы пропускания.

3. Экспериментальная часть
   

Предлагаемый эксперимент позволит изучить основные свойства и параметры операционных усилителей, а также важнейшие типы усилительных схем, в которых они используются.

Лабораторная работа проводится на стенде № 6. Его внешний вид представлен на рис.10.


2 1


3 15


4


5 14


6 7 8 9 10 11 12 13


Рис.10. Внешний вид лабораторного стенда № 6.

1. Силовой трансформатор блока питания.
   
2. Двухполярный стабилизатор блока питания (U_п = ± 10В).
   
3. Переключатель режимов измерения параметров операционного усилителя (I_см1, I_см2, I_пот).
   
4. Плата устройств на операционных усилителях.
   
5. Выводы для измерения токов смещения.
   
6. Выводы для измерения напряжения сдвига.
   
7. Вывод общего провода.
   
8. Вывод U_вх1.
   
9. Вывод U_н = 1000U_д.
   
10. Вывод U_вых1.
    
11. Вывод общего провода.
    
12. Вывод U_вх2.
    
13. Вывод U_вых2.
    
14. Тумблер переключения усилителей: инвертирующий, неинвертирующий.
    
15. Тумблер включения сетевого питания.
    

Все устройства, размещенные на плате 4 (рис.10) лабораторного стенда, выполнены на микросхемах К140УД20. В одном корпусе интегральной микросхемы размещены два операционных усилителя. На базе одного корпуса микросхемы К140УД20 построены устройства для измерения токов смещения, напряжения сдвига, тока питания и коэффициента усиления без обратной связи, а на базе второго корпуса выполнены инвертирующий и неинвертирующий усилители.


Задание 1. Измерение токов смещения, тока сдвига, тока потребления и напряжения сдвига.


Для измерения тока сдвига собирается схема, приведенная на рис.11.

Заметим, что при замкнутом положении переключателей П₁, П₂ и П₃ схема напоминает повторитель с заземленным входом. Конденсаторы С₁ и С₂ используются для устранения частотной (динамической) неустойчивости или генерации.

В таком состоянии напряжение на выходе усилителя U_вых будет в точности соответствовать U_сдв. Замкнув перемычкой выводы (5) рис.10, измерить U_сдв универсальным вольтметром В7 – 35. Величину U_сдв занести в таблицу 1.


С₁


R₁


I_см1

П₁

+U_п


I_см2 - U_п U_вых

П₃

П₂ R₂ С₂


Рис.11. Схема измерения I_см1, I_см2, I_сдв, I_потр и U_сдв


Заметим, что если переключатель П₁ находится в разомкнутом положении, а переключатели П₂ и П₃ – в замкнутом, то на сопротивлении R₁ появляется падение напряжения, вызванное током I_см1. Так как схема является повторителем, то U_вых = I_см1R₁ если U_сдв « U_вых. Следовательно, I_см1 = U_вых / R₁. Если U_сдв нельзя пренебречь по сравнению с U_вых, то I_см1=(U_вых –U_сдв) / R₁.

Аналогично измеряется и второй ток смещения:

I_см2 = (U_вых – U_сдв) / R₂.

Ток сдвига I_сдв вычисляется по формуле I_сдв = I_см1 – I_см2. Схема, представленная в лабораторном стенде, позволяет проводить измерения токов смещения как непосредственно подключив микроамперметр к выводам (5) и меняя режимы измерений переключателем (3), так и через измерение U_вых при введении в схему резисторов R₁ и R₂.

Измерив или рассчитав I_см1, I_см2, I_сдв любым из представленных способов, занести их значения в таблицу 1.

Для измерения тока потребления I_потр переключатель (3) перевести в положение I_потр и, подключив микроамперметр к выводам (5) вместо перемычки, измерить I_потр. Результат измерений занести в таблицу и сравнить с паспортными данными на операционный усилитель К140УД20.

Таблица 1

U_сдв I_см1 I_см2 I_сдв I_потр

Экспер.

Компьют.


Задание 2. Измерение коэффициента усиления без обратной связи.

Для выполнения этого задания в лабораторном стенде собрана схема, приведенная на рис.12.


50кОм U_н 50кОм




1МОм

+U_п


1кОм U_д

U_вх U_вых

- U_п


Рис.12. Схема измерения коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи


Схема представляет собой инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равным 1. Для измерения коэффициента усиления без обратной связи необходимо измерить U_д и вычислить А = U_вых / U_д. Измерение U_д сопряжено с большими трудностями измерения очень малого по величине сигнала. Введение в усилитель делителя напряжения с резисторами 1МОм и 1кОм позволяет измерение U_д свести к измерению U_н = 1000U_д, что вполне возможно при использовании обычных измерительных приборов, например вольтметра В7 – 35.

Подать на вход U_вх1 сигнал напряжением 5В с частотой 10Гц. Вольтметром В7 – 35 измерить U_вых1 и U_н = 1000U_д. Рассчитать коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи и записать его усредненное значение в таблицу 2.


Таблица 2.

U_вх f , Гц U_вых U_н=1000U_д U_д А

Экспер. 5 В 10

Компьют. 7В 10


Задание 3. Снятие амплитудной характеристики инвертирую –

щего и неинвертирующего усилителей.

На плате 4 лабораторного стенда собраны две схемы усилителей на базе микросхемы К140УД20. Схемы усилителей представлены на рис.13.

R_ос +U_п

R₁ +U_п

U_вх -U_п U_вых

U_вх - U_п U_вых

R₁ R_ос

R₁║R_ос


а) б)


Рис.13. Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Для получения амплитудных характеристик усилителей подать на их вход гармонический сигнал частотой 1кГц. Изменяя его от 0 до U_вх, которое даст симметричное ограничение выходного сигнала, замерить величину U_вых для обеих схем включения операционного усилителя. Переключение схем производить тумблером 13 (рис.10). Результаты свести в таблицу 3.

Таблица 3

№ инвертирующий ус-ль неинвертирующий ус-ль

п/п f U_вх U_вых K_оос D U_вх U_вых K_оос D

1.

… 1кГц

…


Представить графически зависимости U_вых = f (U_вх) для обеих схем включения.

По результатам измерений рассчитать K_оос – коэффициент усиления с отрицательной обратной связью и D – динамический диапазон усилителей.

Задание 4. Исследование частотных характеристик

инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Для получения амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик обеих схем включения операционных усилителей подать на их вход постоянный по амплитуде гармонический сигнал и, изменяя частоту сигнала, измерить U_вых и ∆φ. Отношение U_вых/U_вх дает коэффициент усиления K_оос. Результаты измерений занести в таблицу 4.


Таблица 4

№ инвертирующий ус-ль неинвертирующий ус-ль

п/п U_вх f U_вых ∆φ K_оос f₁ U_вх f U_вых ∆φ K_оос f₁

1.

…

…


Обычно зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты дается в рационализированной форме:



f – есть переменная, которая представляет интересующую нас частоту, в то время как f₁ – фиксированная частота, которая называется граничной или сопрягающей частотой и является характеристикой конкретного усилителя. Сопрягающая частота f₁ определяется как частота, на которой коэффициент усиления падает до 0,707 от коэффициента усиления на низких частотах или, что тоже, становится ниже K на 3дБ.

При построении графиков частотных характеристик используется логарифмический масштаб. Коэффициент усиления по напряжению в децибеллах: K_оос(дБ) = 20 lgK_оос. Применяя эти понятия, представить экспериментальные результаты в графическом виде в логарифмическом масштабе в рационализированной форме K_оос(дБ) = ψ(lgf), Δφ = φ(lgf). Используя постоянство произведения коэффициента усиления на полосу пропускания K · f_1ос = const, вычислить частоту единичного усиления и сравнить ее со справочными данными на микросхему К140УД20.


Задание 5. Измерение скорости нарастания и максимальной

амплитуды выходного сигнала.

Эти измерения можно проводить по переходной характеристике, т.е. по сигналу на выходе операционного усилителя при подаче на его вход ступеньки максимально возможного напряжения.

Скорость нарастания выражают в вольтах в микросекунду:

.

Измерив скорость нарастания выходного сигнала, можно вычислить максимальную амплитуду неискаженного гармонического сигнала на выходе усилителя на частоте f. Для этого следует воспользоваться соотношением:

, (f = 20кГц).


Задание 6. Компьютерное моделирование лабораторного

эксперимента.

1. Используя программное обеспечение, предлагаемое преподавателем (Electronics Workbench 3.0E или CircutMaker v.5.0), построить на экране компьютера исследуемые схемы на операционных усилителях. В качестве операционного усилителя использовать K140UD20.

2. Для схемы рис.11 вместо резисторов R₁ и R₂ включить микроамперметры для измерения токов смещения и тока сдвига. К выходу схемы подключить вольтметр для измерения напряжения сдвига.

Включив питание схемы, снять показания I_см1, I_см2 и U_сдв. Результаты измерений записать в таблицу 1 для анализа и сравнения с экспериментом.

3. На вход схемы, построенной по рис.12, подать от функционального генератора гармонический сигнал с амплитудой 7 В и частотой 10 Гц. К выходу схемы подключить вольтметр и осциллограф для измерения и контроля выходного сигнала. К точке U_н подключить вольтметр переменного тока. Включив питание схемы, измерить U_н и U_вых. Вычислить коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи А = U_вых·1000 / U_н.

Результаты измерений записать в таблицу 2 для анализа и сравнения с экспериментом.

4. На вход схемы, построенной по рис.13а подать от функционального генератора гармонический сигнал с амплитудой 100 mV и частотой 1 кГц. Двухлучевой осциллограф и измеритель частотных характеристик по одному из каналов подключить к входу инвертирующего усилителя, а по второму каналу к его выходу. Органами управления осциллографа и измерителя частотных характеристик установить наиболее рациональную форму и масштаб осциллограмм. По ним измерить коэффициент усиления при f = 1 кГц, частоту среза и полосу пропускания.

Произвести анализ и установить влияние параметров элементов схемы на характеристики усилителя.

Аналогичные исследования провести для неинвертирующего усилителя.

5. На вход неинвертирующего усилителя (ри.13,б) подать сигнал прямоугольной формы (меандр). На экране осциллографа наблюдать переходные процессы, т.е. отклик системы на импульсное воздействие. По фронту выходного сигнала измерить его скорость нарастания, выразив результат в В/мкс.

Результаты компьютерного анализа схем на операционных усилителях сравнить с экспериментальными данными и сделать соответствующие выводы.


Контрольные вопросы:

1. Назовите характеристики идеального усилителя.
   
2. Назовите причину возникновения I_сдв и U_сдв.
   
3. Повторитель напряжения является хорошим буферным каскадом. Объясните, почему?
   
4. Кратко изложите принцип действия схемы для измерения коэффициента усиления без обратной связи.
   
5. Дайте определение КООС.
   
6. Укажите две причины, приводящие к появлению частотной зависимости коэффициента усиления операционного усилителя.
   
7. Указажите условия, выполнение которых приводит к самовозбуждению операционного усилителя.
   
8. Перечислите способы частотной коррекции и компенсации операционных усилителей.
   
9. Начертите по памяти следующие схемы с операционными усилителями:
   

а) повторитель напряжения;

б) неинвертирующий усилитель;

в) инвертирующий усилитель;

г) усилитель с дифференциальным входом.


СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш.шк., 1982. 496 с.; ил.
   
2. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / Пер. с англ. И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.; ил.
   
3. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю. И. Волощенко, Ю. Ю. Мартюшев и др. / Под ред. Г.Д. Петрухина. М.: Изд-во МАИ, 1993. 416 с.; ил.
   
4. Фолькенбери Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 572 с.; ил.
   
5. Элементы информационных систем: Учеб. для вузов / В.П. Миловзоров. М.: Высш.шк., 1989. 440 с.; ил.