Казанский Государственный Технический Университет
Им. А.Н. Туполева
Кафедра радиоэлектроники и информационно-измерительной техники
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
Методические указания к лабораторной работе N 416
по курсу “Электротехника и электроника”
Автор-составитель: Д.В. Погодин
Казань - 2007
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 приведено условное обозначение ОУ и его схема включения по постоянному току. Как следует из рис.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.
Входные (U вх+, U вх-) и выходное (U вых) напряжения связаны соотношением:
| U вых = К оу(U вх+ - U вх-), | (1) |
где Коу - коэффициент усиления операционного усилителя.
На рис.2 приведена амплитудная (передаточная) характеристика U вых= f (U вх+, Uвх-). Кривая 1 соответствует выходному напряжению при входном напряжении на инвертирующем входе и нулевом напряжении на неинвертирующем входе, т.е. U вых= f (Uвх-)|Uвх+=0. Кривая 2 - U вых= f (Uвх+)| U вх-=0. По амплитудной характеристике можно определить К оу= U вых/ U вх , и U см - напряжение смещения - зто 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: К оу=102¸106; 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= .
 |
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 R вх оу, R вых оу и полосы пропускания. Так номиналы резисторов, подключаемые к выводам ОУ, должны удовлетворять очевидным неравенствам
Rmin ≥ 10 R вых оу , Rmax ≤ R вх 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
f 1 оу ≥ f 0 К о;
для высокочастотных устройств (фильтров) неравенство оказывается еще более жестким
f 1 оу ≥ f 0 К о,
здесь f 0 – граничная частота устройства; К о – 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 R н=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 f 1;
- специальные ОУ, которые, в свою очередь, разделяются на прецизионные, измерительные, электрометрические 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. 9 приведена АЧХ ОУ с внутренней коррекцией. Как известно [4], 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 сигнала f 1 = 50 кГц, то максимально возможное усиление в схеме усилителя на ОУ, имеющем АЧХ,' приведенную на рис. 1.2, составит 46 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 f 1 = 50 кГц Р = 1.
I.I. Инвертирующий усилитель
Для инвертирующего усилителя выходной и входной сигналы сдвинуты по фазе на 180. Его схема приведена на рис.3. Входное напряжение U вх подают через резистор R 1 на инвертирующий вход. С помощью резистора R ос осуществляется последовательно - параллельная отрицательная обратная связь. Определим коэффициент усиления по напряжению т.е. К u= U вых/ U вх.
Для узла А по первому закону Кирхгофа можно записать уравнение
| I вх = I ос + I о | (2) |
Если считать, что ОУ идеальный, для которого входы виртуально замкнуты т.е. U вх- = U вх+ =0 и I оу=0, то уравнение (2) упростится I вх = I ос. Отсюда учитывая, что U вх= R 1 I вх, а U вых= - R ос I ос, получаем выражение для коэффициента инвертирующего усилителя
| Ku= U вых /U вх = -R ос I ос /R 1 I вх =-R ос /R 1 | (3) |
Знак (-) минус означает инвертирование сигнала.
I.2. Неинвертирующиий усилитель
Для неинвертирующего усилителя (рис.4) выходное и входное напряжения находятся в фазе. Резисторы R 1 и R ос образуют цепь отрицательной обратной связи. Определим коэффициент усиления такого усилителя. Согласно схемы U вх+ = U вх, а U вх- = U вых R 1/(R 1+ R ос). Учитывая, что входы ОУ виртуально замкнуты т.е. U вх- = U вх+, получим выражение для коэффициента усиления такого усилителя
| Ku= U вых /U вх = 1+R ос /R 1 | (4) |
Если R ос= 0, то Кu = 1 и такой усилитель называют повторителем напряжения.
