1

Исследование УПТ на операционных усилителях (EWB)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: состоит в ознакомлении с характеристиками и параметрами операционных

усилителей и исследовании их применения в качестве линейных устройств.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Операционным

усилителем

(ОУ)

–

называют

усилитель

постоянного

тока,

имеющий

дифференциальный

вход

и

общий

выход,

предназначенный

для

выполнения

различных

операций над аналоговыми и импульсными сигналами в схемах с обратными связями. В

настоящее

время

ОУ,

изготовленные

по

интегральной

технологии,

являются

самыми

универсальными и массовыми элементами, а благодаря разнообразным внешним обратным

связям

позволяют

создавать

устройства

самого

различного

функционального

назначения

(усилители, сумматоры, компараторы, фильтры, дифференциаторы, интеграторы и т.д.).

На рис.1.1 приведено условное обозначение ОУ и его схема включения по постоянному току.

Как следует из рис.1.1 он имеет два входа и один

выход.

Вход

(U

вх-

),

напряжение

на

котором

сдвинуто

по фазе

на 180 (противофазно)

относительно выходного напряжения называют

инвертирующим и обозначают кружком. Второй

вход (U

вх+

) – неинвертирующим, т.к. напряжение

на

нем

и

выходное

совпадают

по

фазе.

ОУ

обычно имеет двухполярное питание, а выводы к которым оно подключается обозначены U

ип-

и U

ип+

. Кроме того он может иметь вспомогательные выводы для подключения элементов

частотной

коррекции

и

балансировки

выходного

напряжения.

ОУ

считается

сбалансированным когда выполняется условие: U

вых

= 0, когда U

вх

= 0.

Входные (U

вх+

, U

вх-

) и выходное (U

вых

) напряжения ОУ связаны соотношением:

U

вых

= К

оу

(U

вх+

- U

вх-

),

(1)

где К

оу

– коэффициент усиления операционного усилителя.

В связи с тем, что К

оу

достаточно велик (10

5

– 10

6

), схемы на ОУ работают в линейном режиме

только при введении отрицательной обратной связи.

Параметры ОУ можно разделить на следующие группы:

Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:



напряжение смещения нуля U

см

, значение которого определяется неидентичностью

напряжений U

бэ0

транзисторов входного дифференциального каскада, и его

температурный дрейф ΔUсмΔT;



входной ток инверирующего I

-

вх

и неинвертирующего входа I

+

вх

, а также средний I

вх.ср

и

разностный I

вх.разн

входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного

дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока

ΔI

вх.разн

/ΔT;



максимальное входное дифференциальное U

вх.диф. мах

и синфазное U

вх.сс. мах

напряжения;



входное дифференциальное сопротивление R

вх.оу

, т.е. сопротивление между входами

ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется

линейность выходного напряжения;



входное синфазное сопротивление R

вх.сф.

, т.е. сопротивление, равное отношению

напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

2

Передаточные параметры:



коэффициент усиления по напряжению К

оу

определяемый отношением изменения

выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному

сигналу К

оу

= U

вых

/U

вх.диф

;



коэффициент ослабления синфазного сигнала К

осс

определяемый отношением

коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту

усиления синфазного сигнала К

осс

= К

оу

/ К

оу.сс

. Он характеризует способность ослаблять

(не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;



граничная частота f

гр

– частота на которой

коэффициент усиления уменьшается в

(1/2)

1/2

раз по отношению к максимальному

значению коэффициенту усиления. Эта

частота соответствует уменьшению

коэффициента усиления на –3дБ, при задании

коэффициента усиления в логарифмическом

масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента

усиления которого приведена на

рис.1.9 граничная частота f

гр

=10Гц;



частота единичного усилия f

1

т. е. частота, при которой К

оу

=1. Для ОУ АЧХ

коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 частота единичного усиления

f

1

=10

6

Гц. Граничная частота f

гр

, частота единичного усиления f

1

и коэффициент

усиления по напряжению К

оу

для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением

f

1

= f

гр

К

оу

.



запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φ

зап

, характеризует

устойчивость ОУ. φ

зап

=180

0

– |φ

1

|, где φ

1

– фазовый сдвиг на частоте f

1.

Положительный

запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения

максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно

исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе

порядка 45

0

. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на

рис.1.9 φ

1

=90

0

, а φ

зап

=90

0

.

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:



выходное сопротивление R

вых

;



максимальный выходной ток I

вых.мах

, измеряемый при максимальном выходном

напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки R

н.мин

;



максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для

большинства типов ОУ величина U

вых.мах

=( Е

п

– 1,5)В, что составляет примерно - 10 В.

Переходные параметры:



скорость нарастания выходного напряжения V

u.вых-

максимальная скорость изменения

во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;



время установления выходного напряжения t

уст

время за которое выходное напряжение

достигает свое стационарное значение с заданной точностью.

Параметры цепи питания:



напряжение питания ± Е

п

;



потребляемый ток I

пот

.



потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки) потребляемая операционным

усилителем.

3

Важной характеристикой ОУ является его амплитудная (передаточная) характеристика. Она

приведена на рис.1.2 – U

вых

=f (U

вх+

, U

вх-

). Кривая 1 соответствует выходному напряжению

при входном напряжении на инвертирующем входе и нулевом напряжении на

неинвертирующем входе, т.е. U

вых

=f(U

вх-

)|

Uвх+= 0

. Кривая 2 – U

вых

= f(U

вх+

)|

Uвх-= 0

. По

амплитудной характеристике можно определить К

оу

=U

вых

/U

вх

, и U

см

– напряжение смещения –

это постоянное напряжение на входе при котором выходное напряжение равно нулю, т.е. ОУ -

сбалансирован, U

сдв

– напряжение сдвига - это постоянное напряжение на входе, когда U

вх-

=

U

вх+

= 0. Типовые значения: Коу=10

4

¸10

7

; U

см

= 5...20 мВ.

При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием "идеального

ОУ", для которого:

1. К

оу

= ∞ ;

2. R

вх

– входное сопротивление = ∞ ;

3. R

вых

– выходное сопротивление = 0 Ом;

4. U

вых

= 0 при U

вх-

= U

вх+

= 0 т.е. ОУ сбалансирован;

5.

f – диапазон усиливаемых частот =∞;

6. I

вх

– входной ток 0А.

Из параметров идеального ОУ следует, что его входы виртуально замкнуты т.е. U

вх-

= U

вх+

, а

R

вх

=∞. Это утверждение следует из того, что при К

оу

= ∞ напряжение U

вых

= К

оу

(U

вх+

- U

вх-

)

всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Е

п

, что может иметь место только

в том случае когда выполняется условие (U

вх+

- U

вх-

)= 0 или (U

вх+

=- U

вх-

).

Реально идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ,

с точки зрения

погрешностей создаваемых ими, близки к идеальным. Это позволяет использовать понятие

идеального ОУ, что существенно упрощает анализ схем, содержащих ОУ. В действительности

при расчете схем содержащих ОУ следует учитывать конечные значения R

вх

оу

, R

вых

оу

и

полосы

пропускания. Так

номиналы

резисторов,

подключаемые

к

выводам

ОУ,

должны

удовлетворять очевидным неравенствам

R

min

≥ 10 R

вых оу

, R

max

≤R

вх оу

/10.

Параметры некоторых типов ОУ могут изменяться за счет введения частотной коррекции и

токового программирования. Частотная коррекция может быть введена в схему ОУ при его

изготовлении. Это, так, называемые ОУ с внутренней коррекцией. На рис.1.9, приведена АЧХ

ОУ с внутренней коррекцией. Как известно, такая форма АЧХ обеспечивает устойчивость

схем на ОУ при любом требуемом коэффициенте усиления, что достигается за счет

существенного ухудшения частотных свойств ОУ. В случае широкого спектра усиливаемого

сигнала частотные свойства ОУ накладывают ограничения на значение коэффициента

усиления, который можно получить в схеме усилителя, используя данный ОУ. Использование

внешних корректирующих элементов позволяет, как правило, обеспечить устойчивую работу

ОУ в требуемом диапазоне изменения коэффициента усиления при меньшем ухудшении

частотных свойств, но приводит к усложнению схемы усилителя.

Дифференциальный усилитель (усилитель разности)

Это усилитель в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналов

U

вх2

и U

вх1

. Установим связь между входными и выходными сигналами этой схемы, учитывая

что R

1

= R

2

и R

3

= R

4

. Поскольку для идеального ОУ U

вх-

= U

вх+

= U

2

R

4

/(R

2

+R

4

) и I

вх

= I

ос

, где

I

вх

=(U

вх+

- U

вх-

)/ R

3

, то выражение связывающее выходное и входное напряжения примет вид

U

вых

=R

4

/R

2

(U

вх2

-U

вх1

) .

(6)

4

Идеальный разностный усилитель при подаче на оба входа одинаковых напряжений, т.е. U

вх1

=

U

вх2

, имеет на выходе напряжение равное нулю. Такие входные напряжения называются

синфазными U

cc

. В общем случае синфазный сигнал представляет собой среднее значение

двух входных напряжений, т.е. U

cc

= (U

вх1

+ U

вх2

)/2. Если U

вх1

=-U

вх2

, то U

cc

= 0.

Разность двух входных напряжений называется дифференциальным сигналом U

дс

=U

вх2

-U

вх1

.

Поскольку усилитель разности усиливает только разностный (дифференциальный) сигнал, то

такой усилитель часто называют дифференциальным усилителем.

2. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения

Цель: Исследовать дифференциальный усилитель (усилитель разности сигналов)

Собрать схему усилителя разности сигналов.

1. Зарисовать временные диаграммы входных Uвх1, Uвх2 сигналов, подав на инвертирующий

вход Uвх1 гармонический сигнал с амплитудой 1В и частотой 50 Гц, а на неинвертирующий

вход Uвх2 сигнал прямоугольной формы, такой же амплитуды и частоты (Рис.2.1).

Рис.2.1

Измерения проводить в режиме синхронизации осциллографа от гармонического сигнала.

2. Рассчитать коэффициент ослабления синфазного сигнала. К

осс

=U

вх

/U

вых

.

Для расчета К

осс

, объединив входы усилителя разности и подав на них гармонический сигнал

(U

m

=1B, f=100 Гц) от генератора, измерить с помощью осциллографа амплитуду входного и

выходного сигналов (рис.3.3).

Рис.3.3

Объяснить результат измерения.

3. Указания к отчету

Отчет должен содержать:

3.1. Заголовок: название работы, N группы, ФИО студента;

3.2. Результаты теоретических расчетов и графических построений;

3.3. Структурные схемы устройств на основе ОУ исследуемых в заданиях раздела 2;