Частотные свойства операционного усилителя. Характеристики операционных усилителей

Так как операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с очень большим коэффициентом усиления, то вероятность его самовозбуждения при введении отрицательной обратной связи весьма велика. Поэтому для обеспечения устойчивости ОУ необходимо принимать специальные меры. Устойчивость ОУ оценивают с помощью логарифмических амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.

При построении АЧХ обычно используют логарифмический асштаб по обеим осям координат, т. е. коэффициент усиления Ыражается в децибелах. Используя формулы (4.42), (4.46) и полагая, что 2, легко построить АЧХ и ФЧХ для одного каскада. Для удобства анализа характеристики аппроксимируют в виде прямых (рис. 6.15).

АЧХ представляет собой горизонтальную линию на уровне . На частоте среза излом и при АЧХ представляет собой прямую с наклоном 20 дБ при изменении частоты в 10 раз, т. е. 20 дБ на декаду. Таким образом, скорость спада АЧХ, построенная для одного каскада при , равна .

Если оценивать скорость спада АЧХ с помощью октавы (из-менения частоты в два раза), то можно считать, что скорость спада АЧХ однокаскадного усилителя составляет (рис. 6.15, а).

Частота среза, соответствующая излому аппроксимированной АЧХ, приблизительно равна граничной частоте усиления в реальной АЧХ. Максимальная погрешность их равенства при аппроксимации АЧХ составляет 3 дБ.

Построенную с помощью выражения (4.46) ФЧХ (рис. ) также можно аппроксимировать в виде прямой, проведенной от точки до точки , в которой 90°. На частотах ФЧХ представляется горизонтальной прямой на уровне . При такой идеализации отклонение от реальной ФЧХ составляет не больше 5,7°.

Амплитудно-частотная характеристика многокаскадного усилителя строится путем суммирования АЧХ отдельных его каскадов и имеет несколько изломов, число которых соответствует количеству каскадов.

На рис. 6.16, а приведена АЧХ трехкаскадного усилителя, построенная путем суммирования АЧХ каскадов с частотами среза и коэффициентами усиления в области низких частот .

Фазочастотная характеристика многокаскадного усилителя (рис. 6.16, б) строится путем суммирования фазовых характеристик отдельных каскадов с построенной выше АЧХ.

Из рис. 6.16, а видно, что в диапазоне частот от до скорость спада АЧХ составляет , от до , а на участке от до сот - 60 дБ ( - частота единичного усиления).

Таким образом, каждый каскад увеличивает скорость спада АЧХ на .

Фазовый сдвиг на частоте составляет -45°, на частоте - 135° и на частоте - 225° (рис. 6.16, б).

При введении отрицательной обратной связи угол сдвига между выходным и входным напряжениями усилителя должен составлять 180°, если четырехполюсник обратной связи не имеет реактивных элементов, т. е. [см. формулу (2.34)].

При положительной обратной связи с учетом имеем .

Таким образом, чтобы за счет реактивных элементов усилителя отрицательная обратная связь стала положительной, дополнительный фазовый сдвиг должен составлять 180°.

Для обеспечения запаса устойчивости усилителя по фазе принимаем, что сдвиг нйне должен превышать 135°. Тогда можно считать, что область устойчивости работы многокаскадного усилителя, в частности ОУ, при введении отрицательной обратной связи определяется участком АЧХ со спадом , так как на частоте фазовый сдвиг составляет 135°.

При глубокой отрицательной обратной связи .

На рис. 6.16, а , выраженный в децибелах, может быть представлен прямыми 2 и 3, отражающими различную глубину обратной связи. В точках пересечения этих прямых с АЧХ усилителя без обратной связи А и Б имеем , т. е. именно в этих точках выполняется другое условие самовозбуждения усилителя

Таким образом, на частотах усилитель не самовозбуждается, так как, несмотря на выполнение условия (6.22), обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе. На частотах усилитель работает неустойчиво, так как могут выполняться оба условия самовозбуждения усилителя (6.22) и (2.34).

Для повышения устойчивости ОУ при введении глубокой отрицательной обратной связи проводится частотная коррекция АЧХ с помощью пассивных -цепей, включаемых в схему операционного усилителя. Корректирующие цепи изменяют АЧХ таким образом, что ее спад на всех частотах составляет (рис. 6.16, а). Наиболее просто осуществить коррекцию АЧХ, включив в схему ОУ конденсатор достаточно большой емкости так, чтобы постоянная времени корректирующей цепи превышала . Тогда АЧХ усилителя сдвинется влево, и точка, соответствующая ее частоте среза , будет определяться уже величиной емкости , а спад АЧХ составляет в диапазоне частот . Если частота больше частоты единичного усиления сот кор скорректированной АЧХ, то усилитель будет устойчив при любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих частот от 0 до . Недостаток такого способа коррекции состоит в том, что, обеспечив устойчивость усилителя, мы ограничим его полосу пропускания.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются ОУ общего применения, при разработке принципиальных схем которых учтено использование корректирующего конденсатора . ОУ, называемые усилителями с внутренней коррекцией, не требуют дополнительных корректирующих элементов и устойчивы любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих Однако узкая полоса пропускания ограничивает применение с внутренней коррекцией.

Если необходимо усиливать сигналы высокой частоты, то используют ОУ с внешней коррекцией, когда усилитель имеет дополнительные внешние выводы для подключения корректирующих цепей.

Эти выводы позволяют выбрать оптимальную коррекцию АЧХ усилителя путем подключения к выводам коррекции навесных конденсаторов или -цепей. В спецификациях изготовителей ОУ обычно приводятся инструкции по применению цепей внешней коррекции.

ОУ представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока. Он усиливает сигналы, начиная с нулевой частоты f = 0 до граничной частоты fгр . ОУ выполняется в виде интегральной схемы. Условные графические обозначения (УГО) ОУ приведены на рисунке:

В наиболее широко используемых ОУ питание осуществляется от расщепленного источника ± U с нулевым выводом. Обычно |+U| = |-U| = 3…18 В .

Часто на схемах используют упрощенные УГО (а, б). Вариант (а) используют обычно в зарубежной литературе. Варианты (а) и (б) не соответствуют ЕСКД и не могут использоваться в курсовом и дипломном проектировании.

Физический смысл инвертирующего и неинвертирующего входов в том, что при подаче синусоидального сигнала на инвертирующий вход фаза выходного сигнала сдвинута на 180 градусов по отношению к фазе входного сигнала, при подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают.

ОУ усиливает разность входных напряжений – Uвх1 и Uвх2 .

Напряжение Uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом).

Uдиф = Uвх2 - Uвх1 .

Uвых = k·Uдиф , где k – коэффициент усиления ОУ.

Передаточная характеристика ОУ

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида Uвых = f(Uдиф ), где f – некоторая функция.

Характеристика обычно не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Значение напряжения Uдиф , при котором выполняется условие Uвых = 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через Uсм . Например, у ОУ типа К140УД1 Uсм = ±10 мВ

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равно нулю, т.е. для того передаточная характеристика через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). Для этого могут быть предусмотрены выводы "NC", на которые нужно подавать напряжение, компенсирующие Uсм , что показано на рисунке:

Напряжение Uсм зависит от различных факторов и может изменяться следующим образом:

• На единицы-десятки микровольт при изменении температуры на 1°С;
• На единицы-десятки микровольт при изменении напряжения питания на 1В;
• На доли-единицы микровольт при увеличении срока службы схемы на 1 месяц.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режим усиления (линейным, активным режимом).

В линейном режиме Uвых = k·Uдиф , где k – коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала), k = 104 …105 .

В режиме насыщения Uвых.max = +Uпит – 3В, Uвых.min = -Uпит + 3В.

В приближенных расчетах принимают: Uвых.max = +Uпит , Uвых.min = -Uпит .

Диапазон значений напряжений Uдиф настолько мал, что в режиме линейного усиления при практических расчетах принимают Uдиф = 0.

Синфазный сигнал

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при одинаковом (синфазном) изменении Uвх1 и Uвх2 .

На рисунках:
а) действует только синфазный сигнал Uсф = Uвх1 = Uвх2 , при этом Uдиф = 0;
б) график зависимости Uвых от Uсф .

Если модуль |Uсф | сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение Uвых . Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф

Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K, т.е. 104 …105 .

Влияние входных токов на выходное напряжение

Рассмотрим схему с двумя резисторами на входе при отсутствии источников входных сигналов.

Амплитудно-частотная характеристика ОУ

При увеличении частоты f уменьшается коэффициент K и возникает сдвиг по фазе φ между напряжениями Uдиф и Uвых (предполагается, что эти напряжения синусоидальные). Для учета этого удобно учитывать комплексный коэффициент усиления по напряжению :

, где , – соответственно комплексные действующие значения переменных напряжений Uдиф и Uвых .

АЧХ ОУ приведена на рисунке:

АЧХ показывает, что || начинает уменьшаться уже при очень низких частотах (около 10 Гц). В практических схемах ОУ используется с отрицательными обратными связями, что значительно улучшает частотные свойства и обеспечивает работу на частотах в десятки, сотни кГц.

У некоторых операционных усилителей частотные характеристики таковы, что возможно самовозбуждение (при этом усилитель на основе операционного усилителя превращается в генератор). Для необходимого изменения частотных характеристик используют корректирующие устройства (конденсаторы или RC-цепочки). Выводы операционного усилителя, предназначенные для подключения корректирующей цепей, обозначаются через FC.

РАЗДЕЛ 2. Аналоговые электронные устройства. Усилители.

Усилители

При измерении электрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов возникает необходимость усиления электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности от источника питания в нагрузку. Усилители выполняются на биполярных и полевых транзисторах или на интегральных схемах.

Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется каскадом. Структурная схема усилительного каскада показана на рисунке:

Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение Uвх (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения Uвых (усиленный сигнал). Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии Е. УЭ - управляющий элемент, выполненный на биполярном или полевом транзисторе.

К основным характеристикам усилителя относятся:

Коэффициент усиления

Рассматривают коэффициент усиления по напряжению, ku = Uвых /Uвх , коэффициент усиления по току ki = Iвых /Iвх , коэффициент усиления по мощности кр = Рвых /Рвх = Кu ·Кi . Здесь U и I – действующие значения синусоидального напряжения и тока. Коэффициент усиления по мощности кр > 1. В зависимости от усиливаемого параметра, усилители подразделяются на усилители напряжения, тока, мощности. В ряде случаев усилитель делают многокаскадным, что позволяет увеличить коэффициент усиления. Структурная схема многокаскадного усилителя показана на рисунке:

При выполнении условий Uвых1 = Uвх2 , Uвых2 = Uвх3 , ..., Uвыхn-1 = Uвхn коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления этих каскадов: Ku = Uвыхn /Uвх1 = K1 K2 …Kn .

Выходная мощность

Это мощность на выходе усилителя в заданном режиме работы: Pвых = 0,5·Uн.m ·Iн.m , где Uн.m – амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, Iн.m – амплитуда синусоидально тока нагрузки.

Коэффициент полезного действия

Этот коэффициент равен отношению мощности на выходе усилителя к мощности, отдаваемой источником энергии с напряжением E: η = Pвых /Po , где Po = E·I0 (I0 постоянная составляющая тока).

Амплитудно-частотная характеристика

Это зависимость от частоты модуля коэффициента усиления. В зависимости от вида АЧХ усилителя подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители звуковой частоты (УЗЧ), избирательные усилители.

Вид АЧХ этих усилителей показан на рисунке:

– коэффициент частотных искажений (где Kf коэффициент усиления на заданной частоте).

Δf – полоса пропускания усилителя. Для УПТ (а) она начинается с частоты сигнала f = 0. УПТ усиливает как постоянный, так и переменный сигнал.

В УЗЧ (б) постоянный сигнал не усиливается. Сигналы низкой частоты усиливаются, начиная с нижней границы частоты fH до верхней границы частоты fB .

Характеристикой вида (в) обладают резонансные и частотно-избирательные усилители.

Амплитудная характеристика

Это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока). Амплитудная характеристика показана на рисунке:

Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх =0, точка 2 – минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2-3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник):

, где U1m , U2m , U3m , Unm - амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно.

Величина D = Uвх.max /Uвх.min характеризует динамический диапазон усилителя.

Переходная характеристика

Это зависимость выходного напряжения от времени Uвых (t), когда на вход подается ступенчатый сигнал Uвх (t) = E·1(t). Переходная характеристика показана на рисунке:

На ней показано ступенчатое напряжение Uвх и функция K(t) = Uвых (t)/E.

Переходная характеристика K(t) характеризуется выбросом δ, временем нарастания tн , временем импульса tимп , относительным спадом плоской вершины ΔK/K0 .

Входное сопротивление

Это сопротивление усилителя со стороны входа для переменной составляющей заданной частоты.

Rвх = Uвх /Iвх , где Uвх и Iвх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя.

Выходное сопротивление

Характеризует сопротивление усилителя со стороны выхода для переменной составляющей сигнала заданной частоты.

Где ΔUвых и ΔIвых приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки.

Обратная связь в усилителях

Усилитель, у которого часть энергии выходного сигнала подается на вход, называется усилителем с обратной связью. Структурная схема усилителя с обратной связью показана на рисунке:

На вход усилителя с коэффициентом усиления К подается сигнал y. Он равен сумме входного сигнала xвх и сигнала z, поступающего по цепи обратной связи z = Β · xвых . Здесь Β - коэффициент обратной связи. Сигнал на выходе усилителя xвых будет равен y · K, или: xвых = (xвх + Β · xвых ) · К. Связь между входным и выходным сигналами в таком усилителе равна

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен

В рассмотренном случае y = хвх + z, т.е. на входе сигналы суммируются. Такая обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь в усилителях не используется.

В усилителях используется отрицательная обратная связь (ООС), при которой y = хвх - z.

Коэффициент усиления усилителя с ООС равен

где К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления без обратной связи, Β – коэффициент передачи цепи обратной связи, 1 + Β·k – глубина обратной связи, Β·k – петлевое усиление.

При Β·k >> 1, Koc ≈ 1/Β, т.е. при глубоком ООС зависит только от свойств цепи обратной связи.

В общем случае K и Β имеют комплексный характер . Для упрощения удобно считать частотно независимыми, т.е. действительными величинами K и Β.

Классификация обратных связей в усилителях

По месту нахождения по отношению к усилителю ОС могут быть внутренними, если передача сигнала с выхода на вход происходит через внутренние элементы усилителя, и внешними, если они охватывают усилитель снаружи.

По воздействию на величину коэффициента усиления ОС бывают положительными, если увеличивают его, и отрицательными, если уменьшают.

Реализация полезных обратных связей может быть различной. Различают 4 вида обратных связей:

На рисунках изображены:
а) последовательная ОС по напряжению
б) параллельная ОС по напряжению
в) последовательная ОС по току
г) параллельная ОС по току

Для определения вида обратной связи (ОС) нужно "закоротить" нагрузки. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль, то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала.

Влияние отрицательной обратной связи на основные характеристики усилителя

На практике широко используются отрицательные обратные связи (ООС) в усилителях для целенаправленного изменения характеристик:

Коэффициент усиления (Кос )

Как отмечалось выше, коэффициент усиления усилителя, охваченного ООС, определяется по формуле:

Если глубина ООС достаточно велика ΒK >> 1, то Koc = 1/Β. Это значит, что Koc зависит только от свойств цепи обратной связи и не зависит от свойств цепи прямой передачи (транзисторы, ОУ и т.д.), которые не отличаются высокой стабильностью параметров. Если цепь обратной связи содержит только высокостабильные элементы (резисторы, конденсаторы и т.д.), то Koc оказывается стабильным, т.е. всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием ООС.

АЧХ усилителя, охваченного ООС

ООС уменьшает частотные искажения, т.е. расширяет полосу пропускания Δf как в сторону низких (fH ), так и в сторону высоких (fB ) частот.

Рассмотрим пример, где цепь прямой передачи образует ОУ типа К140УД8, а цепь обратной связи резисторы R1 = 9 кОм, R2 = 1 кОм:

R1 и R2 - делитель напряжения, причем .

,

АЧХ ОУ К140УД8 и ОУ охваченного ООС с Β = 0,1 показаны на рисунке:

Частота среза fср ОУ без ООС равна 10 Гц.

Для определения частоты среза fср.ос усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, в первом приближении достаточно провести горизонтальную линию на уровне || = 10 до пересечения с амплитудно-частотной характеристикой используемого операционного усилителя К140УД8. fср.ос = 5·105 Гц.

Входное сопротивление усилителя, охваченного ООС

Последовательная ООС по току и по напряжению увеличивает входное сопротивление:
Rвх.ос = Rвх (1 + Β·k).
Параллельная ООС по току и по напряжению уменьшает входное сопротивление:
Rвх.ос = Rвх /(1 + Β·k).

Выходное сопротивление усилителя, охваченного ООС

Параллельная и последовательная ООС по току увеличивает выходное сопротивление:
Rвых.ос = Rвых (1 + Β·k).
Параллельная и последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление:
Rвых.ос = Rвых /(1 + Β·k).

Таким образом, несмотря на снижение коэффициента усиления ООС применяют широко для существенного улучшения характеристик усилителя, например, для повышения стабильности и входного сопротивления и уменьшения выходного сопротивления.

Классы работы транзистора в усилителе

Примем, что на вход усилителя подается синусоидальный сигнал.

Различают классы А, АВ, В, С и D в зависимости от положения начальной рабочей точки (статического режима) и величины входного напряжения. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД. Работа усилителя в соответствующем режиме поясняется с помощью придаточной характеристики на рисунке:

Uвых.А – действует в течение всего периода Uвх.А . Uвых.В – действует в течение половины периода Uвх.В . Uвых.С – действует в течение интервала, меньшего половины периода Uвх.С .

Класс А подразумевает работу на линейной части характеристики с малым сигналом Uвх и сравнительно большой постоянной составляющей Uвх.п . Нелинейные искажения минимальны. Однако КПД резко превышает 0,35. Применяются в высококачественных линейных усилителях.

Класс В характеризуется работой с большим сигналом Uвх . Захватывается нелинейный участок передаточной характеристики. Форма выходного напряжения искажается (полусинусоида). Однако КПД достигает 80%. Применяется в 2-х тактных усилителях мощности.

Класс С характеризуется тем, что входное напряжение больше, чем в классе В. Выходное напряжение действует в течение времени меньшего, чем половина периода. Режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но КПД приближается к единице. Применяется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Класс АВ является промежуточным между А и В.

Класс D - ключевой (транзистор находится или в насыщении, или в отсечке).

Усилители на биполярных транзисторах

В промышленной электронике предпочтение часто отдают схемам на биполярных транзисторах, которые показаны на рисунке:

Сигнал источника eг с внутренним сопротивлением Rг через разделительный конденсатор С1 большой емкости поступает на вход усилительного каскада. Усилительный сигнал снимается с резистора RH через разделительный конденсатор С2 большой емкости. Питание каждой из схем осуществляется от источника ЭДС Е. Смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора осуществляется при помощи делителя напряжения на резисторах R1 и R2.

Усилители работают в классе А. Rэ -Cэ - цепь эмиттерной стабилизации начального режима работы. С1 препятствует связи по постоянному току источника eг с усилителем, С2 препятствует связи выходной коллекторной цепи с RH по постоянному току, СЭ ликвидирует ООС на переменному токе. С1, С2, СЭ выбирают такими, чтобы в области средних частот переменные составляющие на них были пренебрежимо малы: XC1 = 1/ωc1 << rвх.э , XC2 = 1/ωc2 << RH, XСЭ ≈ 10·XC1 .

Усилитель с общим эмиттером обладает:

• Коэффициентом усиления по напряжению до десятков единиц;
• Коэффициентом напряжения по току в несколько десятков единиц;
• Низким входным сопротивлением (от сотен Ом до десятков кОм).

Эммиттерный повторитель характеризуется:

• Стабильным коэффициентом усиления по напряжению, близким по величине к 1 (находится в пределах 0,9…0,9995);
• Большим входным сопротивлением;
• Низким выходным сопротивлением.

Усилители на полевых транзисторах

Усилители на полевых транзисторах обладают существенно больших входным сопротивлением по сравнению с усилителями на полярных транзисторах. Наиболее часто используют схемы, показанные на рисунках:

Схемы (а) и (б) – с общим истоком, (в) и (г) – с общим стоком

Ток во входной цепи составляет величину 10-9 …10-12 А для схем (а) и (в). Для схем (б) и (г) этот ток в 103 раз меньше. Назначение С1, С2 и Си такое же, как С1, С2, Сэ в усилителях на биполярных транзисторах. Величина Rз назначается большой величины до нескольких МОм, оно определяет входное сопротивление усилителя.

Усилители с общим истоком имеют коэффициент усиления по напряжению порядка нескольких единиц. Имеют наибольшее распространение.

Усилители с общим стоком (стоковые повторители) имеют коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление.

Материал для подготовеки к аттестации

Цель работы

· Ознакомиться с основами функционирования операционных усилителей.

· Изучить свойства операционных усилителей (ОУ) и простейших усилительных схем на основе ОУ.

· Приобрести практические навыки работы с электронными приборами и сборки электрических схем.

Задачи

· Измерить напряжение смещения нуля изучаемого ОУ.

· Измерить и проанализировать амплитудно-частотную характеристику неинвертирующего усилителя при различных значениях коэффициентов усиления усилителя.

· Измерить и проанализировать амплитудную характеристику неинвертирующего усилителя на низких и высоких частотах.

· Изучить амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя для различных значений коэффициента усиления.

· Измерить и проанализировать амплитудную характеристику инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах.

· Измерить максимальную скорость нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах.

· Измерить частотную характеристику максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.

1 Теоретические сведения

1.1 Историческая справка

Операционный усилитель (ОУ) был разработан для выполнения математических операций (сложения, вычитания, дифференцирования , интегрирования, логарифмирования и др.) в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ появился в 1942 году (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р. Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров ОУ способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ μА702, имевший рыночный успех, был разработан Р. Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время сфера применения ОУ для выполнения математических операций резко снизилась по сравнению с другими их применениями. Номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

1.2 Общие сведения об операционных усилителях

Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный к оэффициент усиления напряжения . Каждый ОУ содержит:

· входной балансный каскад

· каскад дополнительного усиления;

· выходной каскад усиления мощности.

Полная принципиальная схема ОУ содержит многочисленные триодные и диодные цепи и необходимые для работы усилителя резисторы. Они обеспечивают усиление сигнала, температурную стабильность, равенство потенциалов входных клемм ОУ, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, защиту схемы от перегрузок. Входной балансный каскад представляет собою дифференциальный усилитель на биполярных или полевых транзисторах. Дифференциальный усилитель – это усилитель постоянного тока. С целью уменьшения дрейфа нуля он собран по балансной схеме. Оконечным каскадом усилителя мощности, как правило, является истоковый (или эмиттерный) повторитель, что позволяет уменьшить выходное сопротивление ОУ.

Все каскады ОУ связаны между собой гальванически , без применения разделительных конденсаторов. ОУ имеет два входа: инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий или прямой (вход «+»). Сигнал, поданный на вход «+», усиливается и на выходе ОУ образуется усиленный сигнал синфазный со входным, т. е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Если подать сигнал на вход «–», то он не только усиливается, но и изменяется по фазе (инвертируется) на 180o, т. е. входной и выходной сигналы находятся в противофазе. При отсутствии сигналов оба входа и выход ОУ находятся под нулевыми потенциалами.

1.3 Основные характеристики ОУ

Многочисленные типы ОУ, выпускаемые промышленностью, подразделяются на ОУ общего назначения и специализированные ОУ (например, низкошумящие, микромощные, быстродействующие и некоторые другие). Для описания свойств тех и других используются следующие основные характеристики:

· Коэффициент усиления напряжения (КU) – это отношение амплитуды сигнала на выходе к амплитуде сигнала на одном из входов ОУ, когда другой вход соединён с «землёй» (или к разности сигналов на обоих входах ΔUвх, если источник сигнала включён между ними). Типичные значения КU для ОУ без цепей обратной связи находятся в пределах 104- 106.

· Частота единичного усиления. Каждый усилительный каскад ОУ обладает инерционностью, которая приводит к тому, что, начиная с некоторой частоты, усиление каскада уменьшается. Чем больше число каскадов, тем больше общая инерционность ОУ, тем меньше усиление на высоких частотах. На некоторой частоте входного сигнала усиление ОУ снижается до 1. Эта частота называется частотой единичного усиления и обозначается fт. Для низкочастотных ОУ fт=1 МГц, а для быстродействующих высокочастотных - fт=(15-100) МГц, а отдельные ОУ могут работать до 2000 МГц.

· Скорость нарастания напряжения (VU) характеризует время установления выходного сигнала большой амплитуды. Она зависит и от fт и от свойств выходных каскадов ОУ при передаче большого сигнала. Для низкочастотных ОУ VU=0,2 В/мкс, для быстродействующих VU=20 В/мкс и более.

· Входное сопротивление (Rвх) – отношение изменения напряжения на одном из входов ОУ к изменению входного тока. Если внешние обратные связи отсутствуют, то сопротивления Rвх неинвертирующего и инвертирующего входов ОУ одинаковы. Величина сопротивления Rвх зависит от типа транзисторов, применяемых во входном балансном усилителе. Если это биполярные транзисторы, то Rвх составляет (десятки-сотни) кОм, а если во входном каскаде полевые транзисторы, то Rвх – (единицы-тысячи) Мом.

· Выходное сопротивление (Rвых) – отношение изменения напряжения на выходе ОУ к изменению выходного тока. Для большинства типов ОУ (кроме усилителей мощности) Rвых~ (100-200) Ом.

· Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Ккосс) – отношение амплитуды выходного сигнала ОУ к амплитуде входного сигнала, поданного одновременно на оба входа. При подаче сигнала на вход «+» на выходе возникает сигнал той же полярности; при подаче сигнала на вход «–» – противоположной полярности. Следовательно, при подаче одинакового сигнала на оба входа выходные сигналы вычитаются. Если бы оба входа были совершенно симметричными, результирующий сигнал на выходе был бы равен нулю. Вследствие некоторой асимметрии выходной сигнал отличается от нуля, но он значительно меньше, чем входной. Коэффициент ослабления сигнала Ккосс для различных типов ОУ составляет 80-100 дБ.

Существуют и некоторые другие, менее существенные характеристики ОУ, такие как напряжение смещения нуля, входной ток и т. д.

1.4. Идеализация характеристик ОУ

Для упрощения различных расчётов используют понятие идеальный ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие основные характеристики:

· Коэффициент усиления напряжения очень велик (КU→ ∞).

· Частота единичного усиления очень велика (fт→ ∞).

· Входное сопротивление ОУ очень велико (Rвх→ ∞).

· Выходное сопротивление очень мало (Rвых→ 0).

· Напряжение смещения очень мало (Uсм → 0).

· Скорость нарастания выходного сигнала очень велика (VU→ ∞).

· Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик (Ккосс→ ∞).

В реальных ОУ такие характеристики недостижимы. Однако в большинстве применений стараются так подобрать тип ОУ и характеристики связанного с ним устройства, чтобы ОУ выступал по отношению к этому устройству, как идеальный. Так, например, импеданс цепи обратной связи ОУ выбирают значительно большим, чем Rвых, и значительно меньшим, чем Rвх, что позволяет в расчётах этими величинами пренебречь.

1.5 Свойства операционного усилителя

На рисунке 1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий U+ и инвертирующий U–. . В области низких частот выходное напряжение Uвых находится в той же фазе, что и разность входных напряжений Uд = U+ – U– , где Uд – разностное входное напряжение или напряжение дифференциального сигнала.

Рисунок 1 – Схемное обозначение операционного усилителя

Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рисунке 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рисунок 2): Всюду на рисунке 2: Uвх1 – инвертирующий вход, Uвх2 – неинвертирующий вход. В ОУ, обозначенном на рисунке 2 под номером 3, выводы 4 и 7 предназначены для подключения напряжения питания микросхемы, а выводы обозначенные NC – для подключения подстроечного резистора, с помощью которого можно уменьшать величину напряжения смещения нуля.

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя с сигналами как с положительной, так и с отрицательной полярностями, следует использовать двухполярное питающее устройство. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рисунке 1, подключаются к соответствующим внешним клеммам операционного усилителя.

Рисунок 2 – Альтернативные обозначения операционных усилителей

Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания (плюс 15 – минус 15) В. Однако есть ОУ работающие совсем с низкими напряжениями питании и усилители с однополярным напряжением питания. На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы.

В действительности идеальных операционных усилителей не существует. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

· Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя К0=DUвых / DUвх или К0=DUвых / D (U+ – U–) или К0= DUвых / DUд - называется собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т. е. коэффициентом усиления ОУ при отсутствии обратной связи. Откуда следует, что DUвых = К0۰DUд, т. е., приращение выходного напряжения должно быть прямо пропорционально приращению дифференциального входного напряжения. На рисунке 3 показана типичная зависимость выходного напряжения от дифференциального входного напряжения реального усилителя – амплитудная характеристика ОУ.

Рисунок. 3 –Амплитудная характеристика неинвертирующего ОУ

Видно, что зависимость Uвых = f (Uд) линейна только в диапазоне напряжений Uвых min < Uвых < Uвых max. Этот диапазон напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом Uд соответствующего увеличения Uвых не происходит. Границы области усиления Uвых max и минус Uвых max обычно отстоят приблизительно на 1-3 В от соответствующих значений положительного и отрицательного напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением питания (плюс 15 – минус 15) В обычно область усиления по выходному напряжению составляет (плюс 12 – минус 12) В. Хотя есть ОУ границы Uвых max и Uвых min которых совпадают с напряжением питания.

· Напряжение смещения нуля . Из соотношения Uвых = К0۰Uд следует, что амплитудная (или передаточная) характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, для реальных операционных усилителей эта характеристика несколько смещена относительно начала координат влево (или вправо), как показано на рисунке 3. Чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторое напряжение. Это напряжение называется напряжением смещения нуля Uсм. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю применением специальных методов.

· Коэффициент усиления синфазного сигнала. Если на оба входа ОУ подать одно и то же напряжение U+ = U– , то Uд =0. Выходное напряжение Uвых также должно остаться равным нулю. Однако, для реальных дифференциальных усилителей это не соответствует действительности, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала Ксин=DUвых/D(U+=U–) не строго равен нулю. Более того, как видно из рисунка 4, при достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Неидеальность операционного усилителя характеризуется параметром, называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала Ккосс= Ко/Ксин. Его типичные значения составляют 104-105. Коэффициент усиления дифференциального сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала Ксин. Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Рисунок 4 – Зависимость выходного напряжения ОУ от синфазного входного сигнала

В справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины Ккосс. В формулах же величина Ккосс используется с учетом ее фактического знака.

· Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя . На рисунке 5 представлена типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.

Рисунок 5 –Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой Здесь Ко – предельное значение К на нижних частотах без цепей обратной связи ОУ. Выше частоты fво, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления К обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение К=Ко/f На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления К=1.

· Входное сопротивление. Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема замещения операционного усилителя по входу

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф составляет несколько мегаОм, а входное сопротивление для синфазного сигнала Rвхcин несколько гигаОм. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер. Входное сопротивление синфазного сигнала – это сопротивление ОУ между двумя входами. Как правило, оно на 1–2 порядка больше входного сопротивления дифференциального сигнала

· Входные токи. Большое значение имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя. Входной ток при отсутствии сигнала определяется по формуле . А входной ток смещения Для стандартных биполярных операционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько пикоампер.

· Полоса рабочих частот ОУ. Полоса частот ОУ зависит от наличия или отсутствия цепей обратной связи.

Рисунок 7 – Расширение рабочей полосы частот усилителя за счет действия обратной связи.

В связи с громадным значением коэффициента усиления операционного усилителя, как правило, в схемы устройств на ОУ вводят цепь отрицательной обратной связи. Благодаря этому полоса рабочих частот усилителя, охваченного обратной связью, расширяется (рисунок 7), так что произведение коэффициента усиления на ширину полосы для охваченного обратной связью усилителя равно частоте единичного усиления ОУ без обратной связи: fв = fТ/К.

1.6 Основные схемы включения ОУ

В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения.

· Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление.

· Напряжение между неинвертирующим и инвертирующим входами ОУ под действием отрицательной обратной связи становится равным нулю (принцип виртуального замыкания).

Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ.

1.6.1 Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 8. Используя два указанных выше предположения, определим коэффициент усиления по напряжению и нвертирующего усилителя.

Рисунок 8 – Инвертирующий усилитель

Резисторы R1 и R2 образуют цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между входами ОУ становится очень малой. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, то и на инвертирующем входе появляется потенциал близкий к нулю. При этом входной ток I1, протекающий по резистору R1, составит I1=U1/R1. Поскольку вход ОУ имеет очень большое сопротивление, то весь этот ток будет протекать по резистору R2, создавая падение напряжения U2 = U1 ۰ R2/R1. Здесь U1 = Uвх, U2 = Uвых. Поэтому коэффициент усиления по напряжению K оказывается равным К = –U2/U1. Таким образом К = – R 2 / R 1. Знак минус учитывает инверсию сигнала на выходе усилителя. Входное сопротивление усилителя Rвх = R1. Выходное сопротивление очень мало.

1.6.2 Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке 9.

https://pandia.ru/text/78/378/images/image013_53.jpg" width="279" height="188 src=">

Рисунок 10 – Схема замещения ОУ с отрицательной обратной связью с учетом влияния напряжения смещения

1.7 Коррекция частотной характеристики ОУ

Рисунок 11 – Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики операционного усилителя (диаграмма Боде).

Выше частоты f2 начинает действовать второй фильтр нижних частот и коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/декада), а фазовый сдвиг между Uд и Uвых достигает φ = –180°. Это означает, что отрицательная обратная связь, которая осуществлялась подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя, в этой частотной области становится положительной. Как известно, если имеется такая частота, для которой фазовый сдвиг по цепи обратной связи становится равным нулю (условие баланса фаз), а коэффициент петлевого усиления | Kb | > 1 (условие баланса амплитуд), в такой усилительной системе могут возникнуть автоколебания. Усилитель прекращает выполнять свои функции, превратившись в генератор. Коэффициент b в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Таким образом, как для инвертирующего, так и для неинвертирующего усилителя он определяется как b=R1/(R1+R2).

Для предотвращения самовозбуждения при наличии отрицательной обратной связи в усилитель вводятся частотно-корректирующие цепь. Для этого соединяют через конденсатор выход и вход (коллектор и базу – для биполярного транзистора) одного из транзисторов, входящих в состав ОУ. Как правило, такая цепь изменяет амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики операционного усилителя таким образом, что при https://pandia.ru/text/78/378/images/image016_44.jpg" width="313" height="232">

Рисунок 12 – Импульсные переходные характеристики операционного усилителя, охваченного обратной связью, при различных значениях запаса по фазе

Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения становится при этом довольно малой величиной. Вследствие ограниченного значения этой величины при быстрых изменениях входного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их называют динамическими искажениями. В частности, за счет недостаточной скорости изменения выходного сигнала с увеличением частоты начинает искажаться при большой амплитуде выходного сигнала сигнал синусоидальной формы. Часто при этом можно наблюдать, как сигнал синусоидальной формы превращается в сигнал пилообразной формы. В этом случае иногда говорят, что усилитель начал «пилить».

2 ЭКСПЕРИМЕНТ

2.1 Приборы и оборудование

2.1 Для проведения эксперимента используются следующие приборы и оборудование:

· Лабораторный макет «Линейные электрические цепи».

· Осциллограф двухканальный.

· Генератор гармонических сигналов низкочастотный.

· Два цифровых вольтметра.

· Соединительные провода и кабели.

Работу удобно выполнять на лабораторном макете «Линейные электрические цепи».

2.2 Лабораторный макет содержит:

§ Два блока операционных усилителей.

§ Блок источника питания.

§ Блок генераторов импульсов различной формы.

§ Набор линейных R, L, C элементов.

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

§ Выполните следующие задания:

3.1 Измерение напряжения смещения нуля операционного усилителя

Для этого:

3.1.1 Убедитесь, что питание лабораторного макета выключено.

3.1.2 Соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 13.

https://pandia.ru/text/78/378/images/image018_35.jpg" width="24" height="25">.jpg" width="27" height="14">» на нуль (в левое крайнее положение).

· Подготовьте вольтметры для измерения переменного напряжения U~.

3.2.2 Соберите схему неинвертирующего усилителя на ОУ, изображенную на рисунке 14.

https://pandia.ru/text/78/378/images/image022_32.jpg" width="412" height="264">

Рисунок 15 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ неинвертирующего усилителя на ОУ.

3.2.4 Проверьте правильность соединений.

3.2.5 Включите питание макета и генератора.

3.2.6 Измерьте амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) неинвертирующего усилителя на ОУ в диапазоне частот от 100 Гц до 1МГц. Для этого установите начальную частоту на генераторе 100 Гц. При измерениях на входе усилителя поддерживайте напряжение U1 ≈ 100мВ ручкой регулятора напряжения генератора «https://pandia.ru/text/78/378/images/image023_61.gif" width="73" height="52">. Повторите эти измерения на частотах 316 Гц, 1 кГц, 3,16 кГц, 10 кГц, 31,6 кГц, 100 кГц, 316 кГц, 1МГц. На каждой частоте измеряйте новые значения напряжений U1 и U2 и вычисляйте Кu.

3.2.7 Снимите амплитудную характеристику (АХ) ОУ на низкой частоте. Для этого установите частоту сигнала генератора 1 кГц и изменяйте напряжение на генераторе.

Примечание. При измерении амплитудных характеристик в случае, если выходной сигнал синусоидального вида, форму которого нужно контролировать с помощью осциллографа, начинает ограничиваться, т. е. его амплитуда перестает расти при увеличении амплитуды входного сигнала, дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала не производить! ОУ может выйти из строя!

Каждый раз записывайте соответствующие пары входного и выходного напряжений. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости U2 = f (U1). Снимите амплитудную характеристику (АХ) ОУ на высокой частоте. Для этого установите частоту сигнала генератора 1 МГц и изменяйте напряжение на генераторе. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1).

3.2.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема неинвертирующего усилителя. Для этого получите на экране осциллографа неподвижное изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их.

3.2.9 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого установите напряжение генератора равное 10 мВ, отключите лабораторный макет от сети и в схеме замените резистор R2 другим с номиналом 20 кОм.

3.2.10 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично пункту 3.2.6.

3.2.11 Результаты измерений АЧХ в обоих случаях представить в виде графиков в двойном логарифмическом масштабе, где по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, а по оси ординат коэффициент усиления в дБ Ku = Ku (lg f ). Перевод в децибелы осуществляется по формуле:

https://pandia.ru/text/78/378/images/image025_29.jpg" width="364" height="196 src=">

Рисунок 16 – Схема инвертирующего усилителя.

Рисунок 17 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ инвертирующего усилителя.

3.3.3 Установите ручку регулятора напряжения генератора «» на нуль (в левое крайнее положение).

3.3.4 Включите измерительные приборы в сеть.

3.3.5 Ручкой регулятора напряжения установите «» на входе усилителя напряжение 100 мВ.

3.3.6 Снимите амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя, как в пункте 3.2.6.

3.3.7 На частотах 1 кГц и 1МГц снимите амплитудные характеристики (АХ) ОУ, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1).

3.3.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема инвертирующего усилителя. Для этого получите на экране осциллографа неподвижное изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их.

3.3.9 Выключите макет.

3.3.10 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого, установите напряжение генератора равное 10 мВ, а резистор R2 замените резистором с номиналом 20 кОм.

3.3.11 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично пункту 3.2.6, но при U1 = 10 мВ. Результаты измерений АЧХ представить в виде графика в двойном логарифмическом масштабе Ku = Ku (lg f ).

3.3.12 Выполните на частотах 1 кГц и 1 МГц измерения амплитудной характеристики инвертирующего усилителя, изменяя напряжение на генераторе, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представьте в виде графиков зависимости U2 = f (U1).

3.4 Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя

Для этого:

3.4.1 Убедитесь, что питание макета выключено.

3.4.2 Соберите схему, изображённую на рисунок 18.

3.4.3 Ручку регулятора напряжения генератора «» установите в левое крайнее положение и переведите генератор в режим генерации прямоугольных импульсов (тумблер в положении «https://pandia.ru/text/78/378/images/image029_25.jpg" width="362" height="190 src=">

Рисунок 18 – Схема ОУ с разделительным конденсатором на входе.

3.4.4 Подключите к входу усилителя генератор и 1-й канал осциллографа, а к выходу усилий канал осциллографа в соответствии со схемой, изображенной на рисунке Включите питание макета.

3.4.5 На частоте 100 кГц увеличивайте напряжение генератора. С помощью двухканального осциллографа наблюдайте за формой сигналов на входе и на выходе схемы. Напряжение генератора увеличивайте до тех пор, пока амплитуда сигнала на выходе перестанет зависеть от амплитуды сигнала на входе. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов. По осциллограмме выходного сигнала определите скорость нарастания выходного напряжения.

3.5 Измерение частотных характеристик максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.

Для этого:

3.5.1 Ручку регулятора напряжения генератора «» установите в левое крайнее положение и переведите генератор в режим генерации сигналов гармонического типа (тумблер в положении « ~ »).

3.5.2 Воспользуйтесь схемой, изображённой на рисунке 19.

3.5.3 Выполните измерения зависимости максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала U2max инвертирующего усилителя от частоты в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц..jpg" width="438" height="278">

Рисунок 19 – Схема для измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения и определения частотной зависимости максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала.

Итогом работы является набор амплитудно-частотных и амплитудных характеристик и осциллограмм, снятых для ОУ, работающего в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя при различных коэффициентах усиления, а так же частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала и результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя.

Отчет должен содержать:

Название и цель работы;

Краткую теорию;

Схемы исследуемых усилителей;

Графики амплитудно-частотных характеристик инвертирующего и неинвертирующего усилителей при различных коэффициентах усиления;

Графики амплитудных характеристик инвертирующего и неинвертирующего усилителей на низких и высоких частотах;

Осциллограммы входного и выходного сигналов инвертирующего и неинвертирующего усилителей;

Частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя;

Результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя;.

Выводы по выполненным исследованиям.

Графики выполняются на миллиметровой бумаге либо с помощью компьютера.

5 Контрольные вопросы

1) Определение операционного усилителя.

2) Схема и основные соотношения для неинвертирующего усилителя на ОУ.

3) Схема и основные соотношения для инвертирующего усилителя на ОУ.

4) Основные параметры и характеристики ОУ.

5) Понятие об идеальном ОУ.

6) Условия, при которых реальный ОУ можно считать идеальным.

7) Амплитудная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней.

8) Амплитудно-частотная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней.

9) Какими мерами можно обеспечить устойчивость работы ОУ с глубокой обратной связью.

10) Диаграммы Боде.

11) В чем заключаются достоинства ОУ, благодаря которым они широко применяются в радиоэлектронике.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1 Шило интегральные схемы. – М.: Сов. Радио, 1974. – 311 с.

2 Манаев радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: Сов. Радио, 1976. – 479 с.

3 Полупроводниковая схемотехнике.- М. Мир, 1982. – 512 с.

4 Искусство схемотехники. Т.1. - М. Мир, 1993. – 412 с.

5 Нефёдов радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: В. Ш., 2000 – 398 с.

Дополнительная:

6 Рубинштейн. практикум по ядерной электронике: метод. пособие. www. npi. msu. su/structinc/lib/books/nuc_el/p7.

7 Тогатов электроники: электронный учебник. Версия: 1. СПбГУ ИТМО. - de. *****/bk_netra/start. php? bn=36.

8 , Войшвилло усилители и их применение.

www. *****/cgibin/db. pl? cp=&page=Book&id=14464&lang=Ru&blang=ru&list=83.

9 Общие сведения об операционных усилителях. - *****/main/rc/?ou01

К статическим относятся характеристики , определяющие работу ОУ в установившемся режиме:

• коэффициент усиления по напряжению К = ΔUВЫХ /ΔUВХ;
• напряжение смещения UСМ - это напряжение, которое нужно приложить ко входу ОУ, чтобы сделать UВЫХ = 0;
• входные токи IВХ+ и IВХ- - это токи, протекающие через входные цепи ОУ;
• разность входных токов ΔIВХ- = IВХ+ - IВХ-;
• температурный коэффициент напряжения смещения ΔUСМ/ΔТ;
• температурный коэффициент разности входных токов ΔΔIВХ/ΔТ;
• коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС - это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала КОСС = КДИФ /КСФ;
• максимальный выходной ток IВЫХ мах.

Часто в числе основных параметров ОУ используются входной и выходной импеданс RВХ и RВЫХ.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами:

• предельной частотой (частотой единичного усиления) ƒПР = ƒ1
• максимальной скоростью нарастания выходного напряжения VUВЫХ мах.

Эти параметры взаимосвязаны и во многом зависят от цепей частотной коррекции.

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

• входной импеданс (для дифференциального и синфазного входного сигнала) равен бесконечности, а входные токи - нулю;
• выходной импеданс (при разомкнутой ОС) равен нулю;
• коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности;
• коэффициент усиления синфазного входного сигнала равен нулю;
• выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение сдвига равно нулю);
• выходное напряжение может изменяться мгновенно (бесконечная скорость нарастания и бесконечная частота единичного усиления).

Перечисленные характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения питания.

Передаточные характеристики ОУ. Передаточные (амплитудные) характеристики ОУ представляют собой две кривые, соответствующие инвертирующему и неинвертирующему входам.

Рис.9.4. Передаточные характеристики ОУ

Режимам насыщения выходного каскада ОУ соответствуют горизонтальные участки характеристики U+ВЫХ мах и U-ВЫХ мах, близкие к напряжению источников питания. Наклонный участок кривых соответствует зависимости UВЫХ= К (UВХ), угол наклона соответствует коэффициенту усиления по напряжению. Этот участок называется областью усиления. Обычно величина К лежит в пределах 104…106. К примеру, для ОУ типа К140УД7 не менее 45000.

В идеальном ОУ при нулевом входном сигнале на выходе сигнал отсутствует (баланс ОУ). В реальных усилителях наблюдается разбаланс ОУ. Значение напряжения UДИФ, при котором выполняется условие UВЫХ=0, называют напряжением смещения UСМ. Для операционного усилителя К140УД7 (аналог LM741) напряжение смещения лежит в диапазоне от ±4,5 мВ. Для усилителей с большим коэффициентом усиления это может быть серьезной проблемой: если результирующий коэффициент усиления равен 1000, то один милливольт входного смещения проявится как один вольт напряжения на выходе. Когда усилитель предназначен для работы только с переменными сигналами, на выходе используется разделительный конденсатор, который отсечет любое смещение по постоянному току, и все будет в порядке, пока смещение не уведет точку покоя так далеко, что выходные колебания будут ограничиваться. Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т.е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения. В некоторых ОУ для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Типовая схема включения ОУ К140УД7, в котором предусмотрены такие выводы, показана на рис.9.5.

Рис.9.5. Схема балансировки для ИС К140УД7

Рис.9.6. Типовая АЧХ и ФЧХ ОУ

Выше частоты ƒ1 частотная характеристика определяется инерционным звеном с минимальной граничной частотой. Коэффициент усиления в этой области падает (наклон -20 дБ/декада), а фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного достигает φ=-90°. Это означает, что выходное напряжение отстает от входного на 90°. Выше частоты ƒ2 начинает действовать второй фильтр нижних частот, коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон -40 дБ/декада), а фазовый сдвиг достигает φ=-180°. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий выходы фактически поменялись ролями, и отрицательная обратная связь, которая обычно используется в усилителях в этой частотной области становится положительной. В этом случае могут возникнуть условия баланса амплитуд и баланса фаз (эти условия подробно будут рассмотрены при анализе схем автогенераторов), и в схеме возникнут автоколебания. Для устранения этого явления используется частотная коррекция. Она осуществляется подключением внешних цепей к входам FC или выполняется конструктивно встроенной в схему ОУ. АЧХ и ФЧХ ОУ, скорректированного по частоте, представлен на рис.9.7.

Рис. 9.7. АЧХ и ФЧХ ОУ с полной частотной коррекцией и без нее

Очевидно, что для самого неблагоприятного случая не возникает условий возникновения автоколебаний. Схема подключения внешней коррекции для усилителя LM748 приведена рис.9.8.

Рис.9.8. Подключение конденсатора коррекции и резистора балансировки к ОУ LM748 .

Можно отметить, что из-за наличия частотной коррекции полоса пропускания разомкнутого ОУ сужается. Однако так как ОУ используются в усилительных схемах с отрицательной обратной связью (ООС), то введение ООС расширяет частотный диапазон (рис.9.9).

Рис.9.9. Частотные характеристики ОУ

К140УД7 при различных значениях коэффициента усиления с обратной связью Хотя в простых схемах с минимумом внешних компонентов и осуществляют внутреннюю коррекцию, это накладывает ненужное ограничение на ширину полосы пропускания усилителя с коэффициентом усиления напряжения больше единицы. Происходит это потому, что внутренняя коррекция должна быть достаточной для обеспечения устойчивости схемы, в режиме повторителя напряжения (с единичным коэффициентом усиления). Устойчивость могла бы быть достигнута и при больших коэффициентах усиления с меньшим ослаблением на высоких частотах, но фиксированная коррекция в ОУ, подобных К140УД7, означает, что жертвуют шириной полосы, в пределах которой коэффициент усиления больше единицы. Использование ОУ с ООС для различных коэффициентов усиления показано на рис.9.9. Например, при коэффициенте усиления, равном 100, частотная характеристика падает приблизительно на 3 дБ (ширина полосы измеряется на уровне -3дБ) на частоте 10кГц. Это значение не соответствует требованиям, которые в большинстве случаев предъявляются к аппаратуре звукового диапазона; следовательно, для получения приемлемого качества коэффициент усиления одиночной ИС К140УД7 с обратной связью в устройствах звукового диапазона должен быть ограничен значением порядка 20. Для расширения частотного диапазона необходимо использовать ОУ, имеющие более высокую частоту единичного усиления или применять ОУ с внешней коррекцией. Основные характеристики ОУ можно разделить на две группы: статические и динамические.

Диаграмма Боде

Рис.19.1. Эквивалентная схема на ВЧ.

По этой эквивалентной схеме можно выразить амплитудно-частотную характеристику

(19.1)

где: f с частота среза (полюс), равная верхней граничной частоте

f c = 1/2pRC (19.2)

Из выражения (19.1) видно, что частотную характеристику такого каскада можно аппроксимировать двумя асимптотами, рис.19.2:

на нижних частотах, при f<

K(f) =K 0 ;

на высоких частотах, при f >> fc, f/fc>>1, K(f)= К 0 fc/f .

Рис. 19.2. Кусочно-линейная аппроксимация АЧХ (Диаграмма Боде)

Аппроксимированная АЧХ называется диаграммой Боде. В области высоких частот, т.е. f/f c >> 1 , коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз (декада) он уменьшается в 10 раз, т.е. на 20 дБ/дек.

Поскольку ОУ имеют большой собственный коэффициент усиления К ¢ » 10 5 , то частотная характеристика K(f) строится в двойном логарифмическом масштабе. Переход к логарифмической единице при рассмотрении многокаскадных усилителей упрощает построение общей АЧХ, так как общий коэффициент усиления определяется простым сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов. При построении фазовой характеристики используется кусочно-линейная или ступенчетая аппроксимация (рис.19.2.).

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель состоящий из различных по структуре каскадов. Поэтому общую эквивалентную схему ОУ можно представить как эквивалентный генератор, нагруженный на несколько RC-цепей, рис.19.3.

Рис. 19.3. Эквивалентная схема операционного усилителя

Обычно число таких цепей соответствует числу каскадов. Частоты срезов (полюса) для данной эквивалентной схемы определяются:

(19.3)

Аппроксимированная АЧХ ОУ строится сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов, рис.19.4.

Пусть f c 1 =10 4 Гц, f c 2 =10 5 Гц, f c 3 =10 6 Гц

При частотах f.

при f с2 суммируется влияние R1C1 и R2C2, спад K(f) – 40 дБ/дек;

Надо отметить, что рабочая область K(f) ОУ простирается до частоты единичного усиления f Т , на которой K(f)=1(К дБ= 0),