Лабораторная работа №2 исследование линейных схем на основе операционных усилителей

Цель работы – изучить работу линейных схем на основе операционных усилителей для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиления или ослабления, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование и их основные характеристики.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование и др., как медленно меняющихся, в том числе и постоянных, так и быстро меняющихся сигналов, спектр частот которых может быть от нуля (для постоянных сигналов) до очень высоких частот. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные компоненты.

Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т.д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются ОУ в виде интегральных микросхем средней степени интеграции, содержащих довольно сложную схему усилителя, которые по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам.

При инженерной разработке электронных устройств на основе ОУ нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином ОУ. При этом ОУ рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях ОУ при таком подходе не учитываются. В отношении ОУ можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты.

Требования к ОУ сводятся к тому, чтобы он как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, а следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю.

Входная цепь обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и потому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярность выходного напряжения и называется – неинвертирующим.

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности ОУ, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15В и

– 15В). По – другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника 15В.

На рис. 2.1. приведен один из вариантов условного графического обозначения ОУ. Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт».

В литературе часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту принятому у нас (рис. 2.2).

Условное схематическое обозначение дифференциального ОУ приведено на рис. 2.2.а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Е_П и -Е_П. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходных сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

Рис. 2.1. Условно графическое обозначение ОУ.

Рис. 2.2. Схематическое изображение дифференциального ОУ (а), инвертирующего (б) и неинвертирующего (в).

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис. 2.2.б), а другой – неинвертирующим (рис. 2.2.в). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле

U_ВЫХ = (U_ВХ1 – U_ВХ2) К, (2.1)

где К - - коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_ВЫХ = - U_ВХ2 К, а для неинвертирующего U_ВЫХ = U_ВХ1 К. Разностное напряжение

(U_ВХ1 – U_ВХ2) – называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным U_СФ = U_ВХ1 = U_ВХ2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой (2.1) выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение.

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида

U_ВЫХ = f(U_ДИФ), (2.2)

где f – некоторая функция.

На рис.2.3. показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от дифференциального входного сигнала. В диапазоне от -12В до +12В оно зависит от U_ДИФ почти линейно. Нелинейность наблюдается только при приближении к границам диапазона. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме

U_ВЫХ = К_D U_ДИФ, (2.3)

где К_D – дифференциальный коэффициент усиления по напряжению ОУ (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала) определяется как

U_ВЫХ/U_ВХ+ при U_ВХ- = const

К_D = (2.4)

U_ВЫХ/U_ВХ- при U_ВХ+ = const

Он имеет конечную величину, которая составляет от 10⁴ до 10⁶, и называется также собственным коэффициентом усиления ОУ, т. е. усиления при отсутствии обратной связи.

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения.

В области насыщения с ростом U_ДИФ увеличения выходного напряжения не происходит. Границы области усиления отстоят приблизительно на 3В от соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания.

Обычно считается, что в режиме насыщения выполняется условие

U_ВЫХ = +U_ПИТ – 3В (при U_ДИФ > 0) (2.5)

или

U_ВЫХ = -U_ПИТ + 3В (при U_ДИФ < 0), (2.6)

где +U_ПИТ и –U_ПИТ - напряжения питания.

При работе ОУ с напряжением питания 15В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет12В.

Реальные электронные устройства на основе ОУ практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше К_D, так как в них используется отрицательная обратная связь.

Легко заметить, что чем больше коэффициент К_D при заданных напряжениях питания, тем меньше диапазон значений напряжений U_ДИФ, который соответствует режиму усиления.

Рис. 2.3. Зависимость выходного напряжения ОУ от дифференциального входного сигнала.

При увеличении частоты усиливаемого ОУ сигнала f уменьшается коэффициент усиления К и возникает сдвиг по фазе между напряжениями U_ДИФ и U_ВЫХ (предполагается, что напряжения синусоидальные). Для учета этого удобно использовать комплексный коэффициент усиления по напряжению :

, (2.7)

где ,- соответственно комплексные действующие значения переменных напряженийu_ДИФ и u_ВЫХ.

На практике широко используются графики амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик для .

Модуль часто выражают в децибелах, обозначая его при этом черездБ.

По определению дБ = 20lg. График типовой зависимости модуля коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведен на рис. 2.4. К(0) – коэффициент усиления ОУ на постоянном напряжении.

Рис. 2.4. График частотной зависимости коэффициента усиления ОУ.

Пользуясь частотной зависимостью коэффициента усиления можно определить предельную частоту ОУ, на которой коэффициент усиления становится равным единице (или К(_пр) = 0 дБ).

Основные характеристики ОУ можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу ОУ в установившемся режиме:

- коэффициент усиления по постоянному напряжению К(0) = ;

- напряжение смещения нулевого уровня e_см – это напряжение, которое нужно приложить ко входу ОУ, чтобы сделать U_ВЫХ = 0;

- входные токи i_вх+ и i_вх- - это токи, протекающие через входные цепи ОУ;

- разность входных токов ;

- температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня ;

- температурный коэффициент разности входных токов ;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОСС – это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_ОСС = К_ДИФ/ К_СФ;

- максимальный выходной ток I_{ВЫХ МАКС}.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) f_ПР и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения . Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется с помощьюRC цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основное назначение коррекции – предотвращать возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью отрицательной обратной связи. В то же время имеется большое количество ОУ с внутренней коррекцией. Внутренняя коррекция упрощает использование ОУ, но не позволяет полно реализовать его динамические свойства.

Классификация ОУ. В соответствии с ГОСТ 4. 465-86 все ОУ по совокупности их параметров делятся на следующие группы:

- универсальные или общего применения ( К(0) = 10³…10⁵, f_ПР = 1,0…10 МГц, e_см> 0,5 мВ );

- прецизионные или инструментальные (К(0) > 0,5 10⁶, e_см < 0,5 мВ );

- быстродействующие ( V > 20 В/мкс, f_ПР > 15 МГц );

- микромощные (I_ПОТР < 1 мА).

В таблице 2.1. приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Следует отметить, что прецизионные ОУ имеют весьма малые значения напряжения смещения нулевого уровня и его температурного коэффициента, кроме того они отличаются большим значением коэффициента усиления, что приближает их к идеальным ОУ. В свою очередь быстродействующие усилители отличаются широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Микромощные усилители отличаются высокой экономичностью. Они могут работать при напряжении питания от 1,5 В и потреблять ток 10…1000 мкА.

Таблица 2.1.

Тип ОУ	Группа	К(0)	есм, мкВ	, мкВ/К	, нА	КОСС, дБ	fПР, МГц	V, В/мкс
К140УД7	Универсальные	50	4000	6,00	50	70	0,8	10,0
К140УД24	Прецизионные	1000	5	0,05	10^-2	120	2,0	2,5
154УД2	Быстродействующие	10	2000	10	10	100	> 50,0	75,0
К1423УД1	Микромощные	10	5000	5,00	5	70	0,05…1,4	1,6…10^-2

Операционные усилители широко применяются как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники, но из приведенных параметров следует, что они применяются в низковольтных относительно низкочастотных устройствах для усиления и преобразования маломощных сигналов. Для усиления высокочастотных и мощных сигналов применяют усилители на биполярных и полевых транзисторах.

Несмотря на разнообразие электронных устройств на ОУ часто используются типовые линейные схемы на их основе.

Овладение достаточно простыми приемами анализа типовых электронных схем на основе ОУ значительно облегчает понимание принципа действия электронных устройств и способствует получению достоверных результатов их анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые ОУ достаточно близки к идеальным. При этом принимаются следующие допущения:

1. Входное сопротивление ОУ равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R_ВХ ).

2. Выходное сопротивление ОУ равно нулю, т. е. ОУ со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_ВЫХ = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению (К_D) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов ОУ).

4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения.

5. Синфазный сигнал не действует на ОУ.

6. Напряжение смещения нуля равно нулю.