Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ).
Основные сведения. Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.
ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отме-
| чен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход. | 
Рис. 6.1
|
Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е 1 и Е 2, причем Е 1 = – E 2.
Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме R вых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю.
Основные параметры и характеристики ОУ:
1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выходного сигнала (U вых) от амплитуды входного сигнала.
|
| Рис. 6.2 |
В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при обеих полярностях U вх.
Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входного сигнала на инвертирующий вход (U вx = 
); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (U вx = 
);. участок – U вx. max < U вx < U вx max соответствует линейному усилению, при | U вx| > U вx max возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны + E и – Е, а U вx.max = E / К, где К – коэффициент усиления ОУ.
2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.
3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).
|
| Рис. 6.3 |
Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (f в. гр), соответствующей усилению 0,7 К max, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (f умм), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (f ЕУ) – такую частоту, при которой КU = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = f ЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.
4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.
5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже R вx = 109 Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.
6. Скорость нарастания большого сигнала– параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в про-цессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τфр, для скорости и нарастания сигнала запишем u ¹ 2 Е /τфр. Значение u тесно связано с частотными свойствами ОУ: это оче-видно, так как длительность фронтов τфр ~ 1/ f в. гр, где f в. гр – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с f в. гр одну и ту же физическую природу).
7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (t н) и время установления (t у). Очевидно, что τфр = t н + t у. Если фронт – апериодический, то t у = 0 и τфр = t н. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитно-му самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность само-возбуждения выше, чем при апериодическом. Значение периода затухающих колебаний на вершине импульса с квазигармоническим фронтом позволяет оценить, на какой частоте имеет место угроза паразитного самовозбуждения.
Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напря-жения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряже-ния, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель ма-кета приведена на рис. 6.4.
С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R 1 = 100 Ом, R 2 = 10 кОм, R 12 = 100 кОм, R 13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R 14 – R 17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R 8 – R 10, а также цепочка R 11 – С 4позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя.
Порядок выполнения работы:
1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.
2. Измерить напряжение смещения (U см):
а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R 1, неин-вертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R 12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока;
б) снять показание вольтметра (U вых ОУ);
в) рассчитать напряжение смещения по формуле U см = – U вых(R 1/ R 12).
3. Исследовать передаточные характеристики ОУ:
а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник по-стоянного напряжения через резистор R 2, в качестве обратной связи принять R 12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R 14, а также вольтметр постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R 8;
б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать потенциометр R 8 до тех пор, пока U см не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В;
в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В.
г) повторить измерение п. 3в, заменив нагрузку R 14 на R 15 (R 15 < R 14).
4. Исследовать АЧХ ОУ:
а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R 2 генератор гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R 12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф;
б) поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя U вых) до тех пор, пока U вых не снизится до уровня входного сигнала, т. е. до 20 мВ. Частота, при которой U вых оказывается равным U вх, называется частотой единичного усиления;
в) заменить в обратной связи R 12 на большее сопротивление R 13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе частоту 1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ;
г) увеличивая частоту сигнала, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является верхней границей полосы усиления максимальной мощности.
5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала.
Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τфр, рассчитать u.
Содержание отчета:
1. Схемы соединения приборов при измерениях.
2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения f ЕУ, f УММ, τфр, u).
3. Выводы.
Лабораторная работа № 7
