Лекции.Орг
 

Категории:


Нейроглия (или проще глия, глиальные клетки): Структурная и функциональная единица нервной ткани и он состоит из тела...


Построение спирали Архимеда: Спираль Архимеда- плоская кривая линия, которую описывает точка, движущаяся равномерно вращающемуся радиусу...


Архитектурное бюро: Доминантами формообразования служат здесь в равной мере как контекст...

I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ



Казанский Государственный Технический Университет

Им. А.Н. Туполева

____________________________________________________________

 

Кафедра Теоретической радиотехники и электроники

 

 

Д.В. Погодин

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ (EWB)

 

Методические указания к лабораторной работе N 416 (EWB)

по курсу “Электротехника и электроника”

 

Казань 2005

ИССЛЕДОВАНИЕ линейных устройств на

операционных усилителях (EWB)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: состоит в ознакомлении с характеристиками и параметрами операционных усилителей и исследовании их применения в качестве линейных устройств: усилителей, сумматора, дифференциатора, интегратора.

 

I. 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 (Uвх-), напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 (противофазно) относительно выходного напряжения называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход (Uвх+) - неинвертирующим, т.к. напряжение на нем и выходное совпадают по фазе. ОУ обычно имеет двухполярное питание, а выводы к которым оно подключается обозначены Uип- и Uип+. Кроме того он может иметь вспомогательные выводы для подключения элементов частотной коррекции и балансировки выходного напряжения. ОУ считается сбалансированным когда выполняется условие: Uвых=0, когда Uвх=0.

Входные (Uвх+, Uвх-) и выходное (Uвых) напряжения ОУ связаны соотношением:

Uвых = Коу (Uвх+ - Uвх-) , (1)

где Коу - коэффициент усиления операционного усилителя.

В связи с тем, что Коудостаточно велик (105 — 106), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи. При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т. п.

Параметры ОУ можно разделить на следующие группы.

Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:

напряжение смещения нуля Uсм, значение которого определяется неидентичностью напряжений Uбэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф Δuсм/ΔT;

входной ток инверирующего I-вх и неинвертирующего входа I+вх, а также средний Iвх.ср и разностный Iвх.разн входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока Δ Iвх.разн /ΔT;

максимальное входное дифференциальное Uвх.диф. мах и синфазное U вх.сс. мах напряжения;

входное дифференциальное сопротивление Rвх.оу, т. е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;

входное синфазное сопротивление Rвх сф, т. е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

Передаточные параметры:

коэффициент усиления по напряжению Коу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу Коу= Uвых/Uвх.диф;

коэффициент ослабления синфазного сигнала Коссопределяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала Косс= Коу/ Коу.сс. Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

граничная частота fгр – 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 задание коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 граничная частота fгр=10Гц;

частота единичного усилия f1 т. е. частота, при которой Коу=1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 частота единичного усилия f1=106Гц. Граничная частота fгр, частота единичного усилия f1 и коэффициент усиления по напряжению Коу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f1= fгр Коу.

запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φзап, характеризует устойчивость ОУ. φзап =1800 – |φ1|, где φ1 – фазовый сдвиг на частоте f1. 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 450. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис.1.9 φ1=900, а φзап=900.

 
 

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:

выходное сопротивление Rвых;

максимальный выходной ток Iвых.мах, измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки Rн.мин;

максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина Uвых.мах=( Еп– 1,5)В, что составляет примерно-10В.

Переходные параметры:

скорость нарастания выходного напряжения Vu.вых — максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;

время установления выходного напряжения tуст время за которое выходное напряжение достигает свое стационарное значение с заданной точностью.

Параметры цепи питания:

напряжение питания ± Еп;

потребляемый ток Iпот.

потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки) потребляемая операционным усилителем.

Важной характеристикой ОУ является его амплитудная (передаточная) характеристика. Она приведена на рис.1.2 - Uвых =f (Uвх+, Uвх-). Кривая 1 соответствует выходному напряжению при входном напряжении на инвертирующем входе и нулевом напряжении на неинвертирующем входе, т.е. Uвых=f(Uвх-)|Uвх+=0. Кривая 2 - Uвых= f(Uвх+)|Uвх-=0. По амплитудной характеристике можно определить Коу=Uвых/Uвх , и Uсм - напряжение смещения - это постоянное напряжение на входе при котором выходное напряжение равно нулю, т.е. ОУ - сбалансирован, Uсдв - напряжение сдвига - это постоянное напряжение на входе, когда Uвх-= Uвх+ =0. Типовые значения: Коу=104¸107 ; Uсм = 5...20 мВ.

При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием "идеального ОУ", для которого: 1. Коу= ∞ ; 2. Rвх - входное сопротивление = ∞; 3. Rвых - выходное сопротивление = 0 Ом; 4. Uвых= 0 при Uвх- = Uвх+ =0 т.е. ОУ сбалансирован; 5. f -диапазон усиливаемых частот =∞; 6. Iвх - входной ток 0А.

Из параметров идеального ОУ следует, что его входы виртуально замкнуты т.е. Uвх- = Uвх+ , а Rвх=∞. Это утверждение следует из того, что при Коу= ∞ напряжение Uвых = Коу (Uвх+ - Uвх-) всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Еп , что может иметь место только в том случае когда выполняется условие (Uвх+ - Uвх-)=0 или (Uвх+ =- Uвх-).

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. Обычно в устройствах содержащих ОУ он используется не самостоятельно, а с элементами внешней обратной связи, которые целиком определяют его передаточную и частотную характеристику.

В действительности при расчете схем содержащих ОУ следует учитывать конечные значения Rвх оу, Rвых оу и полосы пропускания. Так номиналы резисторов, подключаемые к выводам ОУ, должны удовлетворять очевидным неравенствам

Rmin ≥ 10 Rвых оу , Rmax ≤Rвх оу/10.

Номиналы емкостей, с одной стороны должны быть значительно больше паразитных емкостей схемы. С другой стороны, эти емкости не должны быть большими, так как при этом увеличиваются габариты устройства и потери в конденсаторах.

Для низкочастотных устройств (фильтров) частота единичного усиления должна удовлетворять неравенству

f1 оу ≥ f0Ко;

для высокочастотных устройств (фильтров) неравенство оказывается еще более жестким

f1 оу ≥ 100f0Ко,

здесь f0 – граничная частота устройства; Ко – коэффициент усиления устройства в полосе пропускания.

Операционные усилители, выполняемые в виде монолитных ИМС, можно классифицировать следующим образом.

1. По типу транзисторов, используемых во входных каскадах:

- ОУ на биполярных транзисторах, имеющие малое напряжение смещения нуля, но значительные входные токи и сравнительно невысокое входное сопротивление (~ 106 Ом);

- ОУ с полевыми транзисторами на входе, в которых достигаются высокое входное сопротивление (~-109 - 1012 Ом) и малые входные токи, но возрастает напряжение смещения нуля.

2. По выходной мощности:

- стандартные ОУ, которые отдают в нагрузку с сопротивлением Rн=2 кОм номинальную выходную мощность ~50 мВт;

- мощные ОУ с выходной мощностью от единиц до нескольких десятков ватт;

- микромощные ОУ, в которых мощность, потребляемая в режиме покоя, очень мала (~10-6 Вт).

3. По области применения:

- ОУ общего применения, характеризуемые низкой стоимостью, малыми размерами, широким диапазоном напряжения питания, защищенным входом и выходом, не очень высокой частотой f1;

- специальные ОУ, которые, в свою очередь, разделяются на прецизионные, измерительные, электрометрические, программируемые ОУ и т.п.

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. Например, если верхняя граничная частота единичного усиления составляет f1 =106 Гц, то максимально возможное усиление в схеме усилителя на ОУ, на частоте 104 Гц, имеющем АЧХ, приведенную на рис.1.9, составит 40 дБ. При этом следует иметь в виду, что в диапазоне частот от 25 Гц до 50 кГц глубина Р отрицательной обратной связи в схеме усилителя будет уменьшаться и при f1 = 10 кГц составит Р = 1.

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.

I.I. Инвертирующий усилитель

Для инвертирующего усилителя выходной и входной сигналы сдвинуты по фазе на 180. Его схема приведена на рис.1.3. Входное напряжение Uвх подают через резистор R1 на инвертирующий вход. С помощью резистора Rос осуществляется параллельно- параллельная отрицательная обратная связь. Определим коэффициент усиления по напряжению т.е. Кu= Uвых/ Uвх .

Для узла А по первому закону Кирхгофа можно записать уравнение для токов

Iвх = Iос + Iоу . (2)

Если считать, что ОУ идеальный, для которого входы виртуально замкнуты т.е. Uвх- = Uвх+ =0 и Iоу=0, то уравнение (2) упростится Iвх = Iос. Отсюда, по закону Ома для участка цепи, учитывая что Uвх- = Uвх+ =0, можно записать Uвх= R1Iвх , а Uвых= -RосIос, и получить выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Ku= вых/Uвх = -RосIос /R1Iвх =-Rос/R1 . (3)

Знак ( - ) минус означает инвертирование сигнала.





Дата добавления: 2016-11-18; просмотров: 479 | Нарушение авторских прав


Рекомендуемый контект:


Похожая информация:

Поиск на сайте:


© 2015-2019 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.007 с.