Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике Новосибирск, 1997 (стр. 1 из 4)

РЭЛ 4

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

Операционные усилители

Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике

Новосибирск, 1997

Лабораторная работа посвящена изучению операционных усилителей и схем их включения. В методическом пособии разъясняется принцип работы операционного усилителя, приводятся основные параметры и стандартные схемы включения.

В задачу студента входит изучение основных параметров операционных усилителей и схем их включения, измерение основных параметров ОУ, макетирование и наладка некоторых электронных схем с их применением.

Составитель Г.И. Кузин

Печатается по решению кафедры радиофизики

Оглавление

Введение............................................................................................................................ 3

1. Параметры операционных усилителей............................................................... 5

2. Схемы включения операционных усилителей.................................................. 8

3. Практические задания............................................................................................ 12

3.1. Измерение (U_см), (f₁), (I_вх), (DI_вх).................................................................... 13

3.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного шума....... 14

3.3. Интегратор........................................................................................................ 14

3.4. Компаратор с гистерезисом......................................................................... 14

3.5. Прецизионный выпрямитель........................................................................ 15

3.6. Измерение малых сопротивлений............................................................... 15

3.7. Измерение э.д.с. термопары.......................................................................... 15

Литература.................................................................................................................... 16

Справочные данные некоторых ОУ....................................................................... 16

Ó Новосибирский государственный университет, 1997

Введение

Операционный усилитель (ОУ) – это электронный усилитель, предназначенный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления K₀, малыми входными токами I_вх, большим входным сопротивлением R_вх, малым выходным сопротивлением R_вых, достаточно большой граничной частотой усиления f_гр, малым смещением нуля U_см. Под большими и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах можно считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Для идеального ОУ K₀ = ¥; I_вх = 0; R_вх = ¥; R_вых = 0; f_гр = ¥; U_см = 0.

Основное назначение операционного усилителя – построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). На основе ОУ создаются прецизионные масштабирующие усилители, генераторы функций, стабилизаторы напряжения и тока, активные фильтры, логарифмирующие и потенцирующие усилители, интеграторы и дифференциаторы и т.д. Можно насчитать более 100 стандартных схем включения ОУ общего применения.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема ОУ (часть схемы, обозначенная штриховкой, не приведена).

Независимо от сложности внутреннего устройства первый каскад состоит из дифференциального усилителя (ДУ), который определяет входные свойства ОУ. Использование полевых транзисторов на входе делает входные токи очень малыми (от 10^‑9А до 10^‑12А). Второй каскад служит для усиления и согласования по сопротивлению входного и выходного каскадов.

Оконечный (выходной) каскад служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т.е. позволяет получить малое выходное сопротивление.

Операционные усилители обычно питаются от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжение +U_п, –U_п относительно нулевого провода ("земли"). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ±3В до ±18В.

Выходное напряжение ОУ связано со входным дифференциальным сигналом простым выражением

U_вых = K₀×(U_вх+ - U_вх-), (1)

где К₀ - коэффициент усиления без обратной связи. Величина К₀ для разных типов ОУ изменяется в диапазоне 10³ ¸ 10⁷.

Рис. 2. Схемные обозначения ОУ

Вследствие большого коэффициента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как малые полезные сигналы, так и собственные шумы и внешние наводки. Несимметрия внутренних элементов, нестабильность параметров приводит к тому, что без отрицательной обратной связи ОУ просто непригоден для работы в линейном режиме, так как напряжение U_вых под влиянием шумов, наводок, температурных уходов будет принимать значения, близкие к напряжению источников питания (режим насыщения выходного каскада). Основной причиной, по которой К₀ делают большим, является обеспечение высокой стабильности параметров при глубокой ООС.

Примеры схемных обозначений ОУ приведены на рис. 2. Обычно на схемах ОУ обозначается треугольником с указанием инвертирующего и неинвертирующего входа с помощью значков "–" и "+" (рис. 2,а), реже – прямоугольником с инвертирующим входом в виде кружка (рис. 2,б). Изображения, приведенные на рис. 2,а и 2,б, используются, как правило, в функциональных или упрощенных схемах, остальные – в принципиальных схемах.

1. Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ (К₀) равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному сигналу (току) при отсутствии ОС. К₀ является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC‑цепочки. Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксимируется диаграммой Боде (рис. 3,а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис. 3,а внизу. Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается ООС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте величина К₀b ³ 1, где b – коэффициент ОС, то отрицательная ОС превращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

Рис. 3. а) Аппроксимированная логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характеристики (ФЧХ); б) статическая передаточная характеристика

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характеристику ОУ к звену первого порядка, как на рис. 4. Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (R_вх) определяется как отношение DU_вх/DI_вх при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия, величина их может отличаться на несколько порядков. Типовые значения R_вх на низких частотах для биполярных входов – 10⁴¸10⁸ Ом, для полевых – 10⁷¸10¹² Ом.

Выходное сопротивление R_вых – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение U_хх/I_кз (напряжение холостого хода / ток короткого замыкания), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотен Ом. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовое значение R_вых для ОУ широкого применения 100 ¸1000 Ом.

Входной ток смещения (I_вх) - ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под I_вх подразумевают среднее арифметическое двух токов I_вх+ и I_вх. Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких пределах: для биполярных входных транзисторов – 10^‑5¸10^‑8А, для полевых – 10^‑9¸10^‑12А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения I_вх.