ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ № 16
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Цель занятия: 1. Изучение усилителя медленно изменяющихся сигналов (усилителя постоянного тока), выполненного на интегральной микросхеме, и методов повышения его стабильности.
Перечень приборов.
1. Лабораторный стенд.
2. Блок № 5.
3. Соединительные провода.
4. Электронный осциллограф.
Рекомендуемая литература. 1) курс лекций; 2) (2) стр. 159 — 171; 3) (13) стр. 137 - 141.
Контрольные вопросы.
1. Каковы основные особенности УПТ?
2. Что такое дрейф нуля?
3.Каковы особенности УПТ в интегральном исполнении?
4.усилитель называется инвертирующим?
5. Как влияет обратная связь на коэффициент усиления?
Краткие теоретические сведения.
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель постоянного тока (УПТ) обычно прямого усиления с большим коэффициентом усиления по напряжению. Поэтому на ОУ можно выполнять узлы аппаратуры, показатели которой в основном определяются элементами цепи ОС, вводимой в ОУ.
УПТ, выходное напряжение которого пропорционально разности напряжений входных сигналов, называют дифференциальным усилителем (ДУ). На рис. 1 упрощенная схема ДУ с симметричными входами и выходами. Она состоит из двух симметричных плеч (VT1 и Rl, VT2 и R2) и генератора тока, подключенного к эмиттерам транзисторов. Входным сигналом UBXявляется разность напряжений на входах Bxl и Вх2, выходным — разность напряжений на Вых1и Вых2. ЕслиUBX= 0, через оба транзистора протекают одинаковые токи, напряжения на выходах также одинаковы. Выходное напряжение, представляющее собой разность напряжений Вых1 и Вых2, равно нулю, независимо от коэффициента усиления схемы.
Если напряжение на входе одного из транзисторов увеличить, то возрастет ток соответствующего транзистора. Симметрия схемы нарушится и появится выходное напряжение, пропорциональное входному. Входы и выходы ДУ на рис. 1, а называют дифференциальными (разностными).
Одновременное однополярное изменение напряжения на обоих входах на одинаковое значение называется синфазным. В идеальном ДУ при подаче на его входы синфазного напряжения выходное напряжение равно нулю.
В микросхеме ДУ типа К118НД1 (рис. 1, 6) генератором тока служит транзистор VT3 с резистором в цепи эмиттера. Транзистор в диодном включении VT4 служит для температурной компенсации сдвига входной характеристики транзистора VT3. Выходы 2, 8, 11, 12 служат для модификации режима работы ДУ.
УПТ с дифференциальным входом, большим входным и малым выходным сопротивлениями и высоким коэффициентом усиления напряжения называют операционным усилителем (ОУ). Происхождение термина «операционный» связано с возможностью выполнения с помощью таких усилителей аналоговых обработок сигналов, эквивалентных операциям сложения, умножения и др. ОУ используют исключительно с внешней цепью обратной связи, которая и определяет свойства ОУ в каждом конкретном применении (в отличие, например, от ДУ, где свойства схемы определяются ее внутренним устройством). Он является универсальным базовым элементом для построения самых различных функциональных узлов аналоговой аппаратуры.
Идеальный ОУ должен иметь:
-бесконечно большие коэффициент усиления по напряжению КU, входное сопротивление Rвх и частоту единичного усиления f1;
- нулевое выходное сопротивление.
Спад КUна высоких частотах с ростом частоты не должен быть круче, чем 20 дБ на декаду (т.е. КUне должен уменьшаться более чем в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз). При нулевой разности напряжений на входах идеального ОУ выходное напряжение должно быть равно нулю.
ОУ - это аналоговая схема, снабженная, как минимумом, пятью выводами. Её условное графическое изображение приведено на рис. 2, а. Два вывода ОУ используются в качестве входных; один вывод выходной, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазных соотношений входного и выходного сигнала один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход
2) — инвертирующим. Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями Uвх1 и Uвx2 соотношением Uвых=KU0 (Uвх1 - Uвx2)
где KU0— собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Из приведенного соотношения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).
Как отмечено ранее, KU0в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105…106 или 100…120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двух полярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Средний вывод этого источника, как правило, общая шина для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3…±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ.
Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, используемых для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ (логарифмическая амплитудно-частотная характеристика) усилителя.
Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных усилителей постоянного тока.
Функциональная схема трехкаскадного ОУ, приведенная на рис. 2, б, включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного усиления сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.п.
Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.
Выходной каскад, как правило, выполняемый по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности.
На рис.3 приведена упрощенная принципиальная электрическая схема ОУ. Первый каскад устройства выполнен на дифференциальном усилителе (транзисторы VT1 и VT2), в котором для задания эмиттерного тока транзисторов использована схема «токового зеркала» на транзисторах VT3 и VT4. Для уменьшения мощности, рассеиваемой в усилителе, резистор смещения Rсм «токового зеркала» питается от одного источника питания ОУ. Резисторы RЭ1 и , обеспечивая введение в цепь каждого транзистора дифференциального каскада местной последовательной ООС по току нагрузки, увеличивают входное сопротивление усилителя.
Согласующий каскад усилителя также выполнен с использованием дифференциального каскада (транзисторы VT5 и VT6), на выходе которого подключен каскад по схеме с общим эмиттером (VT7). Особенности этого каскада: использование в дифференциальном усилителе транзисторов, проводимость которых противоположна проводимости транзисторов входного каскада; применение несимметричного выхода. Вследствие этого нагрузочный резистор в коллекторной цепи транзистора VT6 отсутствует. Режим по постоянному току в каскаде на транзисторе VT7 стабилизируется введением цепи, последовательной ООС
по току нагрузки. Резистор RK3 является нагрузочным для каскада на транзисторе VT7.
В выходном каскаде усилителя использована схема двухтактного усилителя мощности, работающего в классе АВ. Необходимое для этого начальное смещение задается диодами VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя. Эмиггерные резисторы RЭ4 и RЭ6 обеспечивают согласование параметров комплементарной пары транзисторов выходного каскада ОУ и ограничивают его максимальный выходной ток.
Схема усилителя, приведенная на рис. 3, снабжена тремя выводами для подключения двух полярного источника питания, выходным выводом для подключения внешней коррекции Uкор и двумя входными выводами. Цепь внешней коррекции позволяет требуемым образом изменять частотную характеристику усилителя, что важно при введении в него различных цепей обратной связи. Цепи коррекции часто встраиваются непосредственно в усилитель.
Схема одного из простых ОУ типа К140УД1 (рис.4) состоит из трех каскадов — входного дифференциального, инвертирующего и выходного. Входной дифференциальный каскад построен на транзисторах VT1, VT2, токи через которые задаются генератором тока на транзисторе VT3 и резисторе R2. Режим работы транзистора VT3 задается и стабилизируется транзистором VT6 в диодном включении и резисторами R6, R7. Эта же цепь задает и стабилизирует ток транзистора VT8, являющегося генератором тока в эмиттерном повторителе на транзисторе VT7. Напряжение с первого каскада (с коллектора VT1) поступает на второй каскад, состоящий из инвертора на транзисторе VT5 и эмиттерного повторителя на VT4. Этот каскад инвертирует (меняет полярность), усиливает сигнал и преобразует двухфазный сигнал с выхода ДУ в однофазный. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 служит для сдвига постоянного уровня напряжения, с тем чтобы в итоге выходное напряжение равнялось нулю при нулевой разности входных напряжений
Для уменьшения выходного сопротивления ОУ служит эмиттерный повторитель (транзистор VT9), коэффициент усиления которого несколько увеличен действием положительной обратной связи, образованной цепью на транзисторе VT8 и резисторе R10. Зарядная емкость диода VD1, работающего при обратном смещении, улучшает импульсные свойства каскада на VT7. Выводы 2,3 и 12 служат для подключения внешних конденсаторов или RC-цепочек для коррекции частотной характеристики ОУ. Номинальное напряжение питания операционного усилителя К14ОУД1А равно ±6,3, К14ОУД1Б—± 12,6В.
Более совершенные ОУ имеют внутреннюю защиту от перегрузок по выходу и частотную коррекцию, обладают большими коэффициентами усиления и другими преимуществами. Ряд ОУ изготовляют на основе технологий, позволяющих совмещать полевые и биполярные транзисторы в одной интегральной схеме. Некоторые параметры ОУ общие с параметрами ДУ, отличаясь лишь тем, что выходные величины у ОУ измеряются между выходным и общим выводами, тогда как у ДУ эти величины измеряются между двумя дифференциальными выходными выводами. Такими параметрами являются: коэффициент усиления КU(от нескольких сотен до нескольких миллионов), являющийся основным параметром ОУ; коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Кос.сф (60…100 Дб); напряжения смещения Uсм (от долей единиц до десятков милливольт); входное (дифференциальное) Rвх(от нескольких килоОм до сотен мегОм) и выходное сопротивление Rвых(от единиц до сотен ом). Для ОУ с внутренней защитой от перегрузок на выходе значения в справочных данных не приводят.
Входной ток Iвх (от долей до тысяч наноАмпер) характеризует потребление входами ОУ тока в отсутствие входных напряжений (напряжения на входах равны нулю) и принимается равным среднему арифметическому значению токов обоих входов. Входной ток создает падение напряжения на подключенном к входу ОУ сопротивлении, которое, будучи усиленным, может привести к появлению на выходе недопустимо большого сигнала. Наименьшим Iвх обладают ОУ с МОПТ во входном каск
