Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине (стр. 1 из 7)
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине
Микроэлектроника
для направления для направления 210100 «Электроника и микроэлектроника»,
для специальности 210107 «Электронное машиностроение»
Екатеринбург
2008
УДК 621.37
Составитель И.Н.Тихонов
Научный редактор доц., канд.техн.наук В.Н.Гулин
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Микроэлектроника" / И.Н.Тихонов. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2008. 36 с.
В лабораторной работе исследуются характеристики и параметры операционного усилителя на интегральной микросхеме с резистивной обратной связью.
Библиогр.: 4 назв. Рис.25. Прил.3.
Подготовлено кафедрой
"Электронное машиностроение".
© ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2008
1.1. Цель работы
Исследование характеристик и параметров аналоговых устройств на операционном усилителе с резистивной обратной связью.
1.2. Краткое содержание работы
1. Изучение теоретических сведений об операционных усилителях с резистивной обратной связью и устройствах на их основе.
2. Изучение методики исследования, составление схем установок для выполнения экспериментальной части работы, подготовка заготовки отчета.
3. Выполнение эксперимента, анализ результатов.
4. Оформление и защита отчета.
2.1. Общие сведения об операционных усилителях
Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление и ослабление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, транзисторы и другие элементы.
Согласно ГОСТ 2.759-82 на схемах радиоаппаратуры ОУ обозначается прямоугольником (рис. 2.1,а), в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи. Оба вывода входов ОУ делают с одной стороны прямоугольника, обычно слева, а выход – с противоположной стороны. Вход, сигнал с которого передается на выход ОУ без изменения фазы, называется неинвертирующим, или прямым. Другой вход является инвертирующим (инверсионным) и отмечается кружком.
Прямоугольник может быть разграничен на основное и дополнительные одно или два поля, расположенные по обе стороны от основного. На дополнительных полях указывают назначение дополнительных выводов ОУ (питание, коррекция, балансировка нуля, корпус микросхемы). Большинство ОУ питаются от двух разнополярных источников питания, как правило, равной величины +
и 
. 
а) б)
Рис.2.1. Условное обозначение ОУ:
а) обозначение ОУ согласно ГОСТ 2.759-82;
б) обозначение ОУ, широко распространенное в технической литературе
На рис.2.1,б приведено широко распространенное в технической литературе обозначение ОУ в виде равностороннего треугольника, которое будет использоваться в настоящих методических указаниях.
Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме и входные сигналы можно подавать как на любой из двух входов, так и на оба входа.
Выходное напряжение при дифференциальном включении определяется следующим выражением:
,где К0 – коэффициент усиления ОУ.
При этом одно из входных напряжений может быть равно нулю, а второй вход включен на корпус. Если оба входа ОУ соединить вместе, то имеем один вход, а приложенный к нему сигнал называется синфазным входным сигналом
= 
= 
.Идеальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:
- дифференциальный коэффициент передачи (усиления) - неограниченно большая величина,
- бесконечно большое входное сопротивление,
- нулевое выходное сопротивление,
- полностью подавляет синфазную составляющую сигнала,
- бесконечная полоса пропускания.
Реальные ОУ по своим параметрам весьма близки к идеальным ОУ. Поэтому при решении многих задач реальные ОУ можно заменять идеальными и рассматривать их как усилительные "кирпичики", из которых можно строить различные усилительно-преобразовательные устройства.
Для современных интегральных ОУ характерны две структуры: трехкаскадная и двухкаскадная.
Трехкаскадная структура (рис.2.2,а) включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель напряжения (УН), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП) [9-11].
а)
б)
Рис. 2.2. Структура типового ОУ: трехкаскадная (а) и двухкаскадная (б) модели ОУ
Первый каскад ОУ - дифференциальный с эмиттерной связью и резисторной нагрузкой, необходимой для уменьшения дрейфа нуля, подавления синфазной помехи, увеличения входного сопротивления и усиления входного дифференциального сигнала.
Второй каскад - усилитель напряжения обеспечивает основное усиление входного дифференциального сигнала по напряжению, строится также по дифференциальной схеме и включает специальную схему сдвига потенциала.
В третьем каскаде – усилителе амплитуды – обычно совмещаются схемы усиления сигнала, схемы сдвига уровня и формирования выходного двухполярного неискаженного сигнала. Как правило, все схемы ОУ заканчиваются эмиттерными повторителями (ЭП), которые определяют нагрузочную способность ОУ и не участвуют в формировании его коэффициента усиления.
Двухкаскадная модель ОУ (рис.2.2,б) включает дифференциальный усилитель (ДУ), усилитель амплитуды (УА) и выходной эмиттерный повторитель (ЭП). В этой модели первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального УН, а также схемы сдвига уровня.
В остальном каскады УА и ЭП не отличаются от одноименной трехкаскадной модели.
На рис.2.3 приведена упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ [9-11]. Дифференциальный каскад ОУ выполнен на транзисторах Т1…Т4. Транзисторы Т1, Т2 образуют дифференциальный усилитель, а транзисторы Т3, Т4 - его динамическую нагрузку. Выходным сигналом дифференциального каскада является 2i1 - ток, который поступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах Т5, Т6 и корректирующее емкость
. Выходным сигналом интегратора тока является напряжение U1, равное напряжению на конденсаторе .Повторитель напряжения выполнен на транзисторах Т7, Т8 по схеме с эмиттерной нагрузкой.
Рис.2.3. Упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ
В лабораторной работе исследуется двухкаскадный ОУ 140УД8Б, принципиальная схема которого приведена в прил. 3.
Некоторые особенности схемы 140УД8Б:
а) входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах Т1, Т2 и Т3, Т4, включенных по каскодной схеме;
б) балансировка ОУ осуществляется с помощью внешнего потенциометра 0.5 - 2к, включенного между 2-м и 6-м выводами ОУ (эмиттеры транзисторов Т5, Т6) и источником питания -
;в) для обеспечения устойчивости усилителя (т.е. для устранения опасности самовозбуждения) применена внутренняя коррекция с помощью емкости С, включенной между выходом 2-го каскада (коллекторы транзисторов Т7, Т8) и первым каскадом (база транзистора Т9).
Для полного описания свойств ОУ необходимо знать десятки его параметров. Рассмотрим основные из них.
1. Коэффициент усиления дифференциального входного сигнала без обратной связи К0, равного десяткам - сотням тысяч раз.
2. Напряжение смещения (
) - величина постоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю.3. Коэффициент ослабления синфазного входного сигнала (
) - отношение коэффициента усиления дифференциального входного напряжения ОУ к коэффициенту усиления синфазного входного напряжения или коэффициент, равный отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения. Обычно выражается в децибеллах и на низких частотах составляет от 60 до 120 дБ.