70749

Операционный усилитель

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В идеальном случае выходное напряжение ДУ не зависит от уровня каждого из входных сигналов а определяется только их разностью Это свойство ДУ обусловлено их применением в случаях когда измеряются очень слабые сигналы на фоне больших синфазных помех.

Русский

2014-10-26

456.5 KB

0 чел.

Лабораторная работа № 7.

Операционный усилитель.

Цель работы - экспериментально исследовать основные параметры и характеристики операционного усилителя и изучить некоторые схемы на его основе.

Приборы и модули: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, генератор сигналов высокочастотный, универсальный лабораторный стенд, модуль N14.

Сведения из теории.

Усилители с непосредственной связью.

Операционные усилители относятся к классу усилителей постоянного тока (УПТ) УПТ называют устройства, способные усиливать не только переменные  напряжения или токи, но также и уровень постоянной составляющей. Нижняя граничная частота УПТ равна нулю, что видно из его амплитудно-частотной характеристики (рис.1).

Поскольку разделительные конденсаторы, а также трансформаторы не обеспечивают передачу постоянной составляющей сигнала, то в УПТ применяется только непосредственная (гальваническая) связь между каскадами. Существенным недостатком таких УПТ является нежелательное изменение выходного напряжения при постоянстве входного напряжения. Это явление получило название "дрейф нуля". Дрейф нуля вызывается нестабильностью питающих напряжений, температурными изменениями входной характеристики, начального коллекторного тока и параметров транзистора. Однако, основной причиной дрейф нуля является температурное непостоянство начального коллекторного тока температурное смещение входных характеристик транзисторов. Для кремниевых транзисторов, имеющих малый начальный коллекторный ток, главными источниками дрейфа нуля остается температурное смещение входных характеристик, величина которого составляет около (-2,5 мВ) на 1°С. При изменении температуры в широком диапазоне смещение входной характеристики первого каскада усилителя усиливаете всеми последующими каскадами, что приводит к существенному нежелательному изменению напряжения на выходе усилителя.

Широкое распространение в качестве УПТ получили дифференциальные усилители, входящие в состав любого операционного усилителя.

Дифференциальный усилитель.

Дифференциальным усилителем (ДУ) называется УПТ, усиливающий разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходное напряжение ДУ не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью Это свойство ДУ обусловлено их применением в случаях, когда измеряются очень слабые сигналы на фоне больших синфазных помех. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти, а также сигналы, измеряемые при биологических исследованиях, например, при измерении небольшой разности двух больших потенциалов между двумя близкими точками живого организма.

ДУ представляет собой симметричный усилитель, имеющий 2 входа и 2 выхода построенный на паре идентичных транзисторов, согласованных по своим параметрам и характеристикам (рис.2). Пусть усилитель - идеально симметричный.

Входные сигналы U1 и U2 подаются на базы транзисторов. Выходное напряжение можно снимать как с любого из выходов относительно земли (несимметричный выход), так и между выходами (симметричный выход). У высококачественных ДУ резистор RЭ должен быть достаточно велик. Совместно с источником питания - Е этот резистор образует генератор стабильного тока, ток которого:

У такого ДУ ток I0 практически не зависит от наличия сигналов на входах ДУ. Если U1=U2=0 то вследствие симметрии схемы ток I0 поровну распределяется между обоими транзисторами. Пренебрегая базовым током, получим:

Токи, протекающие в транзисторах, не изменяются, если оба входных напряжения получат приращения на одну и ту же величину (синфазный сигнал). Так как в этом случае коллекторные токи остаются равными друг другу, то постоянна и разность выходных напряжений, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала равен 0. Если U1>U2 то изменяется распределение токов в дифференциальном усилителе: I1 увеличивается, а I1 уменьшается. Но их сумма при этом остается равной I0. Поэтому приращения токов ΔI1= -ΔI2.Таким образом, разность входных напряжений (или дифференциальный сигнал) в отличие от синфазного вызывает изменение выходного напряжения.

Изменения напряжения база - эмиттер, происходящие под воздействием температуры, действуют как синфазный сигнал и, следовательно, не влияют на работу усилителя. Поэтому ДУ хорошо приспособлен для работы в качестве УПТ.

У идеального ДУ коэффициент передачи разностного сигнала равен отношению разности напряжений на выходе к разности напряжений на входе:

 - напряжение на зажимах симметричного выхода;

U1, U2 - напряжение на входах ДУ.

Если выходное напряжение снимается с одного из несимметричных выходов, то при снятии напряжения с первого выхода коэффициент усиления разностного сигнала:

где Uвых1- приращение напряжения на первом выходе за счет разности входных сигналов.

Аналогично, если напряжение снимается со второго выхода, коэффициент усиления разностного сигнала:

где Uвых2- приращение напряжения на втором выходе за счет разности входных напряжений.

Для симметричной схемы выполняется условие:

откуда:

Однако реальный ДУ не обладает идеальной симметрией, в результате напряжение на выходе зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом сумма входных сигналов, поделенная на два, называется синфазным сигналом:     

Выходное напряжение реального ДУ:

где KP - коэффициент усиления разностного напряжения, равный отношению приращения напряжения на выходе к разностному напряжению на входе при суммарном напряжении U1+U2=0 ;

KC - коэффициент передачи синфазного сигнала.

Положив U1=U2 получим:

Коэффициент передачи синфазного сигнала равен отношению напряжения на выходе ДУ к синфазному входному напряжению при разностном сигнале на входе равном нулю. Высококачественный ДУ должен значительно усиливать малые разностные сигналы и существенно ослаблять большие синфазные сигналы. Типовой значение коэффициента усиления дифференциального сигнала составляет 50 - 100 раз, а синфазного - 10-3.

Способность различать слабые дифференциальные сигналы на фоне больших синфазных помех является одним из замечательных свойств современных ДУ Качество ДУ, т.е. его приближение к идеальному, оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала КOCC, равным отношению коэффициентов передачи разностного и синфазного сигналов:

Коэффициент ослабления синфазного сигнала оценивается в децибелах и для современных ДУ КOCC = 104~105, что составляет (80 ~100) дБ.

Для повышения симметрии схемы (для большего ослабления мешающего синфазного сигнала) необходимо увеличивать величину RЭ Однако увеличение RЭ, вызывает повышение падения напряжения на нем за счет протекания постоянных составляющих эмиттерных токов. При общем эмиттерном токе 1 двух транзисторов порядка 1-2 мА и допустимом падении напряжения на эмиттерном сопротивлении 5-6 В максимальная величина эмиттерного сопротивления не может превышать 3-6 кОм.

Часто вместо резистора RЭ в схему ДУ включают транзистор, что позволяет при той же допустимой величине сопротивления постоянному току получить на один - два порядка больше сопротивление для переменного тока или для приращения постоянного тока.

ДУ изготавливается по твердотельной технологии в виде интегральных схем, и соответствии с которой в одном кристалле кремния выполняется много идентичных т своим параметрам и характеристикам транзисторов. Принципиальная электрическая схема ДУ с транзистором в эмиттерной цепи в качестве генератора стабильного тока приведена на рис.3.

Транзистор VТ3 выполняет роль эмиттерного резистора. Для температурной компенсации смещения входной характеристики в его базовую цепь включен еще один транзистор VТ4 в диодном включении (база и коллектор закорочены). Внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) такого генератора тока велико (сотни кОм), так как через резистор R осуществляется отрицательная обратная связь по току. Поэтому ток I0 стабилен даже при действии на входах синфазного сигнала.

Операционный усилитель.

Операционным усилителем (ОУ) называется УПТ с очень большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлением. ОУ всегда используются с внешней глубокой отрицательной обратной связью. Свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Коэффициент усиления ОУ составляет 104 ~ 106. Они обычно выпускаются в виде интегральных схем. Структурная схема и обозначение ОУ приведены на рис.4. Основу схемотехники ОУ составляют дифференциальные каскады.

Как видно , из схемы, первый каскад, а иногда и второй являются дифференциальными усилителями. Поэтому у ОУ имеется два входа: инвертирующий и неинвертирующий. Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными так и с отрицательными входными сигналами, используют двухполярные питающие напряжения. Величины сопротивлений в схеме ОУ подобраны таким образом, что при нулевых напряжениях на обоих входах относительно "земли" выходное напряжение также равно нулю. При изменении входных напряжений выходное напряжение может изменяться относительно нуля в сторону положительных и отрицательных напряжений.

Передаточная характеристика ОУ, представляющая зависимость выходного напряжения от разности входных напряжений, приведена на рис.5.

На ней выделяются участки, где Uвх и Uвых связаны линейной зависимостью (область усиления) и область насыщения.

Границы области усиления отстоят приблизительно на 3 В от соответствующих уровней питания ±Е. Для ОУ напряжения питания обычно составляют ±12 В или ±15 В. У идеального ОУ передаточная характеристика проходит через нуль. Для реальных ОУ эта характеристика несколько смещена относительно нуля на величину U0. Таким образом, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход ОУ некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля. Оно составляет обычно несколько милливольт.

Анализ схем, построенных на ОУ, можно значительно упростить, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальный ОУ характеризуется следующими параметрами: K=∞, Rвх=∞, Rвых=0.Кроме того предполагается, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности, напряжение смещения равно нулю и температурный дрейф равен нулю.

Равенство бесконечности коэффициента усиления K=∞ позволяет сделать вывод: идеальный ОУ развивает конечное выходное напряжение на любой нагрузке, отличной от нуля, при входном напряжении Uвх=0. Это дает возможность при анализе схем полагать напряжение между входами (+) и (-) (рис.6) равным нулю.

Поскольку в реальных схемах один из входов ОУ обычно заземляют, (например "+" вход), то можно считать, что и второй вход ОУ находится под потенциалом земли. С другой стороны равенство Rвх=∞ позволяет сделать вывод, что ток внешнего генератора iГ не ответвляется в бесконечно большое входное сопротивление (iвх), а проходит лишь через резистор обратной связи ZСВ.

В реальных ОУ стремятся максимально повысить входное сопротивление. Например, входными эмиттерами или истоковыми повторителями. Поэтому ответвлением тока во входное сопротивление ОУ можно пренебречь, если эквивалентные сопротивление подключаемые параллельно ко входу усилителя, на несколько порядков меньше входного сопротивления.

Изложенное выше соответствует принципу виртуального (мнимого, кажущегося) замыкания входных зажимов ОУ. При виртуальном замыкании как и при обычном замыкании, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако в отличие от обычного замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не проходит, т.е. в виртуальное замыкание ток не ответвляется. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

Основные схемы включения ОУ.

На рис.7 показан инвертирующий ОУ.

Входное напряжение усиливается и инвертируется по фазе на 180°. Входной ток внешнего генератора I если воспользоваться принципом виртуального замыкания, равен:

Выходное напряжение:

Коэффициент передачи инвертирующей схемы:

На рис.8 показан неинвертирующий ОУ.

Входное напряжение усиливается без инверсии фазы. Напряжение обратной связи:

Коэффициент обратной связи:

Выходное напряжение:

Откуда:

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы:

При Кχ>>1, что всегда имеет место:

Если RСВ=0, KНИ=1, что соответствует схеме повторителя входного напряжения, представленной на рис.9.

На основе ОУ можно строить почти идеальные итеграторы, на которые не распространяется ограничение Uвых<<Uвх.

На рис.10 приведена схема интегратора на ОУ.

Входной ток  протекает через конденсатор С. Поскольку инвертирующий вход виртуально заземлен, выходное напряжение определяется следующим образом:

Подставляя в это выражение значение тока получим:

Рассмотрим два особых случая. Если входное напряжение постоянное, то изменение выходного сигнала описывается формулой:

т.е. выходной сигнал линейно возрастает со временем. Поэтому интеграторы пригодны для формирования линейно нарастающего или спадающего пилообразного напряжения.

Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение изменяющееся по косинусоидальному закону, т.е. UВХ=Ucosωt то формула длявыходного напряжения имеет следующий вид:

Как видно из этого выражения, амплитуда выходного сигнала обратнопропорциональна круговой частоте ω. Амплитудно-частотная характеристика интегратора в логарифмическом масштабе имеет вид прямой с наклоном (-6 дБ) на октаву (-20 дБ) на декаду. Это является простым критерием, с помощью которого можно определить является ли схема интегратором.

Если в схеме интегратора поменять местами R и С, то получим схему дифференциатора (рис. 11).

Считая инвертирующий вход виртуально заземленным, для входного напряжения дифференциатора запишем: 

Откуда:

Напряжение на выходе дифференциатора: 

При синусоидальном входном напряжении UВХ=Usinωt:

Амплитудно-частотная характеристика схем дифференцирования в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном +6 дБ на октаву. Дифференциатором в некоторой области частот называют устройство, АЧХ которого имеет наклон +6 дБ на октаву (+20 дБ на декаду).

Практическая реализация дифференциатора по схеме на рис.11 сопряжена с большими трудностями, поскольку отрицательная обратная связь при больших частотах входного сигнала вызывает фазовое опережение, составляющее около 90° Оно суммируется с фазовым сдвигом ОУ, который также может составлять 90°. Таким образом, схема становится неустойчивой и самовозбуждается. Устраняется этот недостаток путем уменьшения дополнительного сдвига фаз в цепи обратной связи на высоких частотах, для чего последовательно с конденсатором включают резистор R1 Величину CR1 и, следовательно, граничную частоту fГР этой цепочки выбирают так

чтобы на этой частоте коэффициент передачи цепи обратной связи составлял 1.

На основе ОУ можно построить и ряд других функциональных преобразователей.

Задания и методические рекомендации.

1. Измерьте собственный коэффициент усиления ОУ без обратной связи мл частоте 20 Гц (модуль N14). Рекомендуемая схема для этих измерений приведена на рис.12.

1.1. Подайте на вход делителя 1 : 1000 напряжение с частотой 20 Гц с выхода генератора звуковых частот. Выход делителя соедините с инвертирующим входом ОУ. На неинвертирующий вход ОУ подайте напряжение смещения с гнезда UСМ. Вращая потенциометр UСМ добейтесь компенсации смещения, если это необходимо. Напряжение на выходе ОУ измеряйте с помощью осциллографа при этом вход осциллографа должен быть открытым для постоянной составляющей. Рассчитайте коэффициент усиления ОУ с учетом коэффициента деления входного делителя.

ПРИМЕЧАНИЕ: двойная амплитуда синусоидального сигнала на выходе ОУ должна быть не более 5 В.

2. Снимите и постройте амплитудно-частотную характеристику ОУ без обратной связи.

2.1. Изменяйте частоту на выходе генератора звуковых частот и измеряйте напряжение на выходе ОУ осциллографом (по схеме на рис.12). Результаты измерений запишите в таблицу 1.

2.2. По результатам измерений постройте АЧХ ОУ в двойном логарифмическом масштабе.

2.3. Определите по АЧХ граничную частоту fГР полосы пропускания и скорость спадания частотной характеристики в дБ/декаду измерения частоты.

3. Снимите и постройте АЧХ инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100.

3.1. Соберите инвертирующий ОУ с коэффициентом усиления 100. Измерьте его коэффициент усиления.

3.2. Снимите и постройте его АЧХ. Определите значение граничной частоты.

ПРИМЕЧАНИЕ: АЧХ, снятые в п.п. 2, 3, необходимо строить на одном и том же графике.

4. Определите постоянное напряжение смещения U0 которое надо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе стало равным нулю.

4.1. Соберите схему (рис.13).

4.2. Измерьте постоянное напряжение на выходе ОУ с помощью осциллографа и найдите напряжение смещения.

Коэффициент усиления напряжения смещения ОУ по неинвертирующему входу равен: 

5. Запишите выражения, нарисуйте графики для АЧХ, фазо-частотнои и переходной характеристик интегрирующей -цепи и схемы интегратора на ОУ сравните их.

6. Соберите схему интегратора на ОУ, используя R=100 кОм и С=10 мкФ. Скорость развертки установите равной 1 см/сек.

6.1. Подайте на вход интегратора постоянное напряжение +12 В с гнезда универсального стенда. Наблюдайте и зарисуйте переходную характеристику интегратора.

6.2. Сравните полученную переходную характеристику с ожидаемой для идеального интегратора и сделайте вывод об их соответствии (несоответствии).

7. Соберите интегратор на ОУ с R=10 кОм, С=5,1 нФ (параллельно С включите резистор 3 МОм).

7.1. Снимите и постройте АЧХ этого интегратора на частотах 20 Гц, 100 Гц, 200 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 10 кГц. Сравните ее с расчетной АЧХ для тех же R и С.

Оформление результатов.

В отчет включите принципиальные схемы, результаты измерений и расчетов в виде графиков и таблиц.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение и нарисуйте принципиальную электрическую схему ДУ.

2. Чем объясняется малое значение температурного дрейфа ДУ?

3. Дайте определение ОУ и нарисуйте его структурную схему.

4. Нарисуйте схему неинвертирующего ОУ с К=11.

5. Нарисуйте схему интегратора на ОУ и его частотную характеристику.

6. Нарисуйте схему дифференциатора на ОУ и его частотную характеристику.

7. Объясните различие между интегрирующей -цепью и интегратором на ОУ на примере их частотных, фазовых и переходных характеристик.

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83182. Последствия советско-афганской войны 18.28 KB
  Военная служба была обязательна. У мальчиков, которые насчитали 18 или 19 лет возраста, не было выбора, кроме как служить в течение 2 - 3 лет. Новички для Афганистана получили бы 8-10 недели обучения прежде чем быть посланным в их отделения. Это обучение, конечно, не покрывало всю необходимую подготовку.
83183. Моя будущая профессия – инженер-строитель 22.28 KB
  Задачи: Рассмотреть разные профили инженера строителя Раскрыть основные проблемы дорожного строительства Когда мы задумываемся о своей будущей профессии в первую нас интересует ее полезность и практичность. Возьмём сферу дорожного строительства и на её примере рассмотрим основные функции строительства в общем так как из всех сфер строительства нашей...
83184. Франчайзинг товарный и производственный 36 KB
  Итак что же скрывает в себе это слово Под франчайзингом понимается ведение бизнеса под арендованным товарным знаком. Одна из первых успешных франчайзинговых систем была применена компанией Generl Motors. На сегодняшний день можно выделить три основных вида франчайзинга.
83186. Economics in our life 14.92 KB
  Much time was spent by people on the study of economics. This is a very ancient science. It existed even before emergence of electricity, cars and means of communications. But economics as the academic discipline is rather new.
83187. The problems of young people 15.64 KB
  All people have problems. Some people have a lot of problems, others have one or two. And no matter how old you are, you will still face difficulties in your life. We can solve some problems but some problems are very hard to solve.There are a lot of teenagers in our country.
83188. Війни виграють не генерали, війни виграють шкільні учителі 38 KB
  Мені здається, що сьогодні вчити і виховувати дітей складніше, ніж колись. Життя стало непередбачуванішим, з’явилося багато нової інформації, техніки, змінилося ставлення до деяких моральних цінностей. Я впевнена, що професія вчителя – одна з найважливіших у нашому суспільстві.
83189. Стратегический менеджмент как сфера профессиональной деятельности 38.25 KB
  Процесс разработки стратегий включает: 1 определение корпоративной миссии; 2 конкретизацию видения корпорации и постановку целей; 3 формулировку и реализацию стратегии направленной на их достижение. Вместе с тем разработка стратегии на практике процесс творческий.
83190. Славянофильство и западничество: куда идти России? 33.5 KB
  К предыстории относится период с десятых до середины тридцатых годов девятнадцатого столетия. В начале тридцатых годов большинство будущих славянофилов исключая Хомякова были приверженцами философии Шеллинга и их позиция была скорее западнической чем славянофильской.