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.

Дифференциальные усилители

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 U_BXявляется разность напряжений на входах Bxl и Вх2, выходным — разность напряжений на Вых1и Вых2. ЕслиU_BX= 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.

Структурная схема операционного усилителя

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 К_U, входное сопротивление R_вх и частоту единичного усиления f₁;

- нулевое выходное сопротивление.

Спад К_Uна высоких частотах с ростом частоты не должен быть кру­че, чем 20 дБ на декаду (т.е. К_Uне 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 U_вых связано с входными напря­жениями U_вх1 и U_вx2 соотношением U_вых=K_U0 (U_вх1 - U_вx2)

где K_U0— 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, K_U0в 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 (+Е_п, -Е_п). 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 R_см «токового зеркала» питается от одного источника питания ОУ. Резисторы R_Э1 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 R_K3 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 R_Э4 и R_Э6 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 U_кор 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 К_U(от нескольких сотен до нескольких миллионов), являющийся основным параметром ОУ; коэффициент ослабления синфазных входных напряжений К_ос._сф (60…100 Дб); напряжения смещения U_см (от долей единиц до десятков милли­вольт); входное (дифференциальное) R_вх(от нескольких килоОм до сотен мегОм) и выходное сопротивление R_вых(от единиц до сотен ом). Для ОУ с внутренней защитой от перегрузок на выходе значе­ния в справочных данных не приводят.

Входной ток I_вх (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 I_вх обладают ОУ с МОПТ во входном каск