Изучение операционных усилителей
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с устройством, принципом действия и характеристиками операционных усилителей без обратной связи и с обратными связями.
2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование и т.д. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной или отрицательной обратной связи, подающих часть выходного напряжения на вход усилителя. Сам же ОУ при этом должен как можно ближе соответствовать идеальному усилителю, то есть иметь достаточно большой коэффициент усиления Кu ≈ ∞, большое входное сопротивление Rвх ≈ ∞ и бесконечно малое сопротивление выхода Rвых ≈ 0. Частотная характеристика должна простираться от постоянного тока до очень высокой частоты.
В настоящее время ОУ представляет собой полупроводниковую интегральную микросхему, содержащую большое число элементов: транзисторов, диодов и т.д. Несмотря на большое разнообразие схемотехнических решений, условно ОУ можно представить в виде трёх основных частей (Рис.1).
+Еп
Uвых
Uвх
- Еп
Дифференциальный каскад Интегратор Усилитель мощности
Дифференциальный каскад питается генератором тока, поэтому при одинаковых напряжениях на обоих входах (относительно питания) токи в плечах каскада одинаковы, почти не зависят от величины входного напряжения (синфазного) и составляют половину тока генератора. При появлении дифференциального сигнала на входе (разности напряжений на входах), ток в правой ветви каскада меняется от «0» до всего тока генератора в зависимости от полярности и величины дифференциального сигнала. Этот ток преобразуется в интеграторе тока в напряжение, которое повторяется на выходе усилителем мощности (повторителем напряжения). При этом вход, напряжение на котором соответствует по знаку выходному напряжению, называется не инвертирующим, а другой – инвертирующим. Следует отметить, что полностью одинаковыми плечи дифференциального каскада технологически сделать не удаётся, поэтому при нулевом дифференциальном сигнале напряжение выхода нулю не равняется. Смещение нуля можно компенсировать с помощью специально вводимых цепей балансировки (коррекции) нуля.
На схемах ОУ изображают с разной степенью упрощения:
Инвертирующий вход
Неинвертирующий вход Uдиф Выход
Положительное и
отрицательное Uсф U
напряжение питания U
Общий вывод
Uдиф – дифференциальное напряжение (дифференциальный сигнал)
Uсф - синфазное напряжение (синфазный сигнал)
+Е
6 1
+
5 2 -
-Е
Общий вывод может отсутствовать, тогда синфазное напряжение и напряжение выхода определяется относительно средней точки напряжения питания.
Основная характеристика ОУ – амплитудная, или передаточная, представляет собой зависимость выходного напряжения от дифференциального напряжения на входе. Эту характеристику получают при подаче напряжения на один вход при отсутствии напряжения на другом входе (соединённым с общим выводом).
Uвых
+Uпит
U см
Uдиф
-U пит
Uсм – напряжение смещения – величина дифференциального сигнала, при котором выходное напряжение равно нулю. Коэффициент усиления ОУ (коэффициент передачи напряжения) определяется в области линейного участка характеристики
Кu =
Частотная (амплитудно-частотная) характеристика ОУ представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала:
К
ω
ω макс
Из характеристики определяют максимальную частоту ωмакс, при которой коэффициент передачи сохраняет своё значение (уменьшается не более чем в √2 раз), и предельную частоту ωпр , при которой коэффициент передачи становится равным единице.
Указанные и другие характеристики ОУ в значительной степени зависят от напряжения питания, температуры, сопротивления нагрузки и т.д., поэтому применение ОУ без внешних цепей обратных связей ограничено. В зависимости от вида обратных связей ОУ может выполнять различные функции.
Операционный усилитель КМ551УД2Б
Операционный усилитель данного типа относится к группе - прецизионные, обладающие повышенной точностью установки передаточной функции благодаря более высокому входному сопротивлению, улучшенным параметрам смещения нулевого уровня и повышенному коэффициенту усиления.
В ОУ КМ551УД2Б на одном кристалле размещены два усилителя. Характерной особенностью ОУ КМ551УД2 является малый коэффициент шума.
Справочные данные и схема включения микросхемы КМ551УД2Б
R2≤0,01кОм; Rн≥≥ 10 кОм; Rн=2кОм
Uсм, мВ, не более 5. Режим измерения 1,2
Iвх ср,мкА, не более 2. Режим измерения2
ΔIвх,мкА, не более1. Режим измерения2
KU, не менее5*103. Режим измерения3,4
Kос сф,дБ, не менее70. Режим измерения2, 5-7
Uвых max,В, не менее±10. Режим измерения3
Iпот,мА, не более10. Режим измерения2, 8
Uш вх,мкВ, не более - . Режим измерения2, 9
Синфазное входное напряжение 8 В
Напряжение источника питания от ±5 до ±16,5
Входное напряжение:5 В
Максимальный выходной ток 2мА
Мощность рассеивания 400мВт
Инвертирующий усилитель на основе ОУ
+Е
i2 Rос
i1 R1
Uвх
Uвых
-Е
В этой схеме не инвертирующий вход ОУ соединён с общим выводом, а инвертирующий – с выходом ОУ через резистор обратной связи Rос. Входной сигнал Uвх подаётся на инвертирующий вход через резистор R1. В силу большого значения коэффициента усиления ОУ и его большого входного сопротивления можно принять, что Uдиф = 0 и i1 = i2, а поскольку Uвх = i1 R1 и Uвых = i2 Rос, то KU = Uвых / Uвх = - Rос / R1. Входное сопротивление этой схемы ограничено величиной R1.
Не инвертирующий усилитель на основе О.У.
+Е
Rос
R1
Uвых
Uвх
-Е
В этой схеме входной сигнал подаётся на не инвертирующий вход, а внешняя цепь обратной связи представляет собой делитель выходного напряжения, часть которого подаётся на инвертирующий вход ОУ. С учётом указанных в предыдущем пункте допущений Uвх = i1 R1 = Uвых - i2 R2, или KU = Uвых / Uвх =1+ R2 / R1. Входное сопротивление не инвертирующего усилителя ограничено входным сопротивлением только самого ОУ что является преимуществом указанной схемы для усиления маломощных сигналов.
Повторитель напряжения на основе ОУ.
Uвых
Uвх
В этой схеме выход ОУ соединяется с инвертирующим входом. Поскольку дифференциальное напряжение близко к нулю вследствие большого коэффициента усиления ОУ, Uвых = Uвх, KU = 1. Применяется для усиления тока (мощности), который ограничен сопротивлением нагрузки и возможностями ОУ (предельными эксплутационными параметрами).
Сумматор напряжений.
i 1 R1
Uвх1
Rос
in Rn
Uвх n
Uвых
Представляет собой инвертирующий усилитель с несколькими входами. Поскольку i ос = i 1 + i 2 + i 3 + … i n , а Uвых = Uос = i ос Rос = Rос( Uвх1/ R1 + Uвх2/ R2 +… Uвхn/ Rn ), то при R1 = R1 = R2 = …Rn = Rос, Uвых = Uвх1 + Uвх2 +…. Uвхn, то есть напряжение выхода есть сумма входных напряжений. Применяется для сложения (наложения) аналоговых сигналов.
Интегратор тока
Uc
C
ic
iвх Uвых
В этой схеме в цепь отрицательной обратной связи по напряжению включена ёмкость. Поскольку не инвертирующий вход соединён с общим выводом, а дифференциальное напряжение близко к нулю, напряжение выхода равно напряжению на конденсаторе, которое, в свою очередь, определяется его зарядом. Таким образом Uвых = UС = - ∫ iвх dt.
Интегратор напряжения
C
R
Uвх Uвых
Представляет собой инвертирующий усилитель, в котором резистор обратной связи заменён на конденсатор, вследствие чего напряжение на нём (и на выходе схемы), пропорционально заряду конденсатора. Конденсатор заряжается проходящим через R током, поэтому Uвых = UС = - ∫ uвх dt.
Логарифмический усилитель
VD
R
Uвх Uвых
Здесь в цепь отрицательной обратной связи по напряжению включен диод в прямом направлении. Поскольку ток через диод экспоненциально зависит от прямого напряжения, напряжение на диоде, а значит и на выходе схемы зависит от тока по логарифмическому закону. Ток через диод, в свою очередь, задаётся входным напряжением Uвх и резистором R, поэтому UD = Uвых = T ln i вх / i S ,где T - тепловой потенциал, i S - обратный ток диода, i вх = .
Генератор прямоугольных импульсов
Rос
C Uвых
R1
R2
Принцип действия этой схемы состоит в следующем. Часть выходного напряжения через делитель R1 R2 подаётся на не инвертирующий вход ОУ, что при нулевом напряжении на инвертирующем входе обеспечивает достаточное дифференциальное напряжение на входе ОУ и максимальное напряжение того же знака (напряжение питания) на выходе схемы. В то же время напряжение выхода через резистор обратной связи Rос заряжает конденсатор C, вследствие чего увеличивается напряжение на инвертирующем входе ОУ. Как только это напряжение превысит напряжение на не инвертирующем входе, дифференциальное напряжение сменит знак, что приведёт к смене знака выходного напряжения и всё повторится в том же порядке. Таким образом напряжение на выходе схемы меняется от +Епит до - Епит с постоянной времени, зависящей от C, Rос и соотношения R1 R2.
Рассмотренные принципы применяются во множестве других схем и устройств на основе ОУ.
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Приборы и оборудование: операционный усилитель __________________, набор резисторов, набор конденсаторов, источник постоянного тока _________, регулируемый источник постоянного тока ____________, цифровой вольтметр (мультиметр) ________, стрелочный вольтметр постоянного тока (мультиметр), монтажная плата, генератор ________________, осциллограф __________, электронный вольтметр _________________.
3.1 Исследование характеристик операционного усилителя (ОУ).
Изучить по справочнику и выписать справочные данные ОУ. Собрать схему усилителя без обратной связи, подключив на вход ОУ регулируемый источник постоянного тока через делитель напряжения 1:1000. (R1 ≈ 300Ком, R2 ≈ 300Ом) и цифровой вольтметр (мультиметр), а на выход – стрелочный вольтметр или мультиметр. Питание ОУ осуществлять от источника постоянного тока в пределах допустимых значений (36В).
+Епит
R1
U= R2 Uвх U вых
- Епит
Изменяя входное напряжение Uвх в пределах – 10мВ ÷ +10мВ измерить напряжение выхода ОУ. Построить амплитудную (передаточную) характеристику ОУ. Определить напряжение смещения и коэффициент усиления напряжения. Сравнить со справочными данными.
3.2. Изучение инвертирующего усилителя.
3.2.1. Собрать схему инвертирующего усилителя, подобрав R1 в пределах 1 ÷ 10 КОм и Rос в пределах 100 ÷ 1000 Ком. Подключить на вход схемы источник регулируемого напряжения и цифровой вольтметр, на выход – стрелочный вольтметр (мультиметр). Изменяя входное напряжение в пределах линейного участка передаточной характеристики, измерить напряжение выхода. Построить зависимость выходного напряжения от входного. Определить коэффициент усиления схемы. Сравнить с расчётными данными.
3.2.2. Подключить на вход усилителя генератор и электронный вольтметр, на выход – осциллограф. Изменяя амплитуду входного напряжения в пределах линейного участка передаточной характеристики, измерить выходное напряжение. Построить график зависимости выходного напряжения от входного (амплитудную характеристику). Определить коэффициент усиления схемы по переменному току, сравнить с расчётными данными.
3.2.3. При средних фиксированных значениях амплитуды входного сигнала провести измерения выходного напряжения при изменении частоты в пределах рабочего диапазона генератора. Построить график зависимости коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты (частотную характеристику) инвертирующего усилителя. По возможности определить максимальную и предельную частоту.
3.3. Собрать схему не инвертирующего усилителя. Провести измерения, указанные в п.3.2.1.
3.4. Собрать схему генератора прямоугольных импульсов на ОУ, подобрав R1 R2, Rос порядка сотен КОм, ёмкость – доли микроФарад. Подключить на выход генератора осциллограф. Зарисовать осциллограмму выходного напряжения, измерить частоту и амплитуду импульсов. Изменяя сопротивление обратной связи при фиксированной ёмкости и изменяя ёмкость при фиксированном сопротивлении обратной связи (5÷6 значений), исследовать зависимость частоты от ёмкости и сопротивления обратной связи. Построить соответствующие графики, сделать вывод о характере зависимостей, объяснить их, исходя из принципа действия генератора.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1. Объяснить принцип действия ОУ.
4.2. Объяснить принцип действия не инвертирующего усилителя на основе ОУ.
4.3. Вывести формулу входного сопротивления не инвертирующего усилителя.
4.3. Для чего в схемах усилителей на основе ОУ используются обратные связи?
4.4. Как увеличить мощность усилителя (генератора) на основе ОУ? Привести схему, подобрать элементы, объяснить принцип действия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лачин В.И., Савёлов Н.С. Электроника: Учебное пособие. «Феникс», 2002. – 576с.
2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.: КОРОНА прини; М.: Бином – Пресс, 2006 – 416 с., ил.
3. Гершензон Е.М., Полянина Г.Д., Соина Н.В. Радиотехника. – М.: Просвещение, 1986. – 319 с.
4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1997. – 2806 с.
5. Основы промышленной электроники / Под редакцией Герасимова В.Г. – М.: Высшая школа, 1986.