6. Литература

1. Яновский, В. П. Учебное пособие по дисциплине «Электроника» для студентов специальности «Информационные системы и технологии (в экологии)»: эл. версия / В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А.Д.Сахарова, 2008. – 126 c.

2. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / С. И. Баскаков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1988 – 448 с.

3. Ефимчик, М. К. Основы радиоэлектроники / М. К. Ефимчик, С. С. Шушкевич. – Минск: Изд-во Университетское, 1986.

Лабораторная работа № 7 операционные усилители

Используемые модули: № 1, 9, 13.

1. Цель лабораторной работы

• изучить основные характеристики операционного усилителя;

• исследовать типовые аналоговые устройства на базе операционных усилителей.

2. Сведения из теории

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока c очень большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом.

Н о условном графическом обозначении ОУ в виде треугольника, вершина которого показывает направление передачи сигнала, знак «+» указывает на неинвертирующий вход, а знак «–» – на инвертирующий (рис. 2.1, а). Часто ОУ обозначают прямоугольником, у которого инвертирующий вход обозначают кружком (рис. 2.1, б). Встречается также обозначение ОУ, показанное на рис. 2.1, в.

Кроме входных и выходных сигнальных выводов ОУ содержит также выводы для подключения источников питания и коррекции работы ОУ. Они на схемах, как правило, не изображаются.

Входы ОУ называются дифференциальными (разностными), поскольку ОУ является дифференциальным усилителем. Его выходное напряжение U_ВЫХ зависит от разности напряжений на этих входах U_Р = U₊ – U_- и коэффициента усиления К₀ усилителя, т. е. U_ВЫХ = К₀ × U_Р = К₀(U₊ – U_-). Полярность выходного напряжения совпадает с полярностью на входе «+» и противоположна полярности напряжения на входе «–». Поэтому вход «–» называется инвертирующим входом, а вход «+» – неинвертирующим.

2.1. Основные параметры оу

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U, коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОСС, напряжение смещения нуля U_СМ, входные токи I_ВХ, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_Р, коэффициент влияния источников питания K_ВИП и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от выходного напряжения идеального операционного усилителя.

Ниже будут рассмотрены параметры, необходимые для более полного понимания функционирования ОУ в различных схемах.

Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению К₀ – коэффициент усиления по напряжению на постоянном токе при условии, что отрицательная обратная связь отсутствует. Обычно значения К₀ лежат в пределах от 5000 до 700 000.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения ∆U_Д следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Напряжение смещения нуля U_СМ. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Оно определяется как постоянное напряжение, которое необходимо приложить ко входам ОУ, чтобы на его выходе установилось нулевое напряжение (U_ВЫХ = 0). Чтобы в отсутствие сигнала напряжение на выходе точно равнялось нулю, к ОУ подключается цепь регулировки (коррекции) нуля. В некоторых ОУ есть специальные зажимы для подключения этой цепи.

Входной ток – постоянный ток по инвертирующему (I ^–_ВХ) и неинвертирующему входу (I ⁺_ВХ) усилителя. Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов, создают разность падений напряжения ∆U. Это приводит к появлению ненулевого выходного напряжения при нулевом входном.

Разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_Р. Наличие ненулевой разности входных токов связано с неточностью согласования коэффициентов усиления по току транзисторов входного дифференциального каскада ОУ. Величина I_Р в несколько раз меньше входного тока. Это позволяет снизить влияние входного тока ОУ на его выходное напряжение при подключении к обоим входам одинаковых сопротивлений.

Дифференциальное входное сопротивление (R_ВХ ДИФ) – это отношение дифференциального входного напряжения к изменению тока неинвертирующего входа в режиме короткого замыкания, т. е. R_{ВХ ДИФ} = ∆U_ВХ/∆I_ВХ.

Выходное сопротивление (R_ВЫХ) – внутреннее сопротивление выхода ОУ относительно земли.

Динамические параметры характеризуют быстродействие ОУ. Их можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе относятся частотные характеристики, по которым определяют полосу пропускания f_П, частоту единичного усиления f_т и время установления t_У. Эти параметры называются малосигнальными, поскольку измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (∆U_ВЫХ < 1 В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения V_{U ВЫХ} и мощностная полоса пропускания f_Р. Параметры определяются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ), некоторые из них рассмотрены выше.

Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |U_{ВЫХ УСТ} – U_ВЫХ(t)| = δ, где U_{ВЫХ УСТ} – установившееся значение выходного напряжения, δ – допустимая ошибка.

Мощностная полоса пропускания ОУ определяется по виду АЧХ, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. На низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала U_{ВЫХ МАКС} практически доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания f_Р соответствует значению U_{ВЫХ МАКС}, равному 0,707 от первоначального значения.

Частотные характеристики. При увеличении частоты, из-за влияния паразитных емкостей транзисторов, одновременно с падением коэффициента усиления увеличивается и фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями. При построении АЧХ обычно используют логарифмический масштаб по обеим осям координат, т. е. коэффициенты усиления выражаются в децибелах.

Переходная характеристика – это сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход сигнала в виде ступеньки напряжения. При линейном режиме усиления она связана с частотными характеристиками.

Скорость нарастания выходного напряжения V_{U ВЫХ} = ∆U_ВЫХ/∆t – отношение приращения ∆U_ВЫХ к интервалу времени ∆t, за который происходит это приращение, при подаче на вход прямоугольных импульсов.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения этих параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения U_П, допустимый диапазон питающих напряжений, потребляемый от источника ток I_ПОТ, максимальный выходной ток I_{ВЫХ МАКС}, максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании, максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений.