Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

lab6

.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
03.04.2015
Размер:
274.94 Кб
Скачать

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Цель работы: Изучение принципа работы и измерение основных параметров и характеристик операционных усилителей. Компьютерное моделирование базовых функциональных устройств на основе операционных усилителей.

  1. Дифференциальный каскад как базовый элемент аналоговых интегральных микросхем

Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока, операционные усилители, цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики, является дифференциальный каскад.

Дифференциальный усилительный каскад (рис.1) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк2, а два других – транзисторами Т1 и Т2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста).

На транзисторе Т3 собрана схема источника стабильного тока Iэ, определяющего сумму эмиттерных токов Iэ1 и Iэ2 транзисторов Т1 и Т2. Для определения тока Iэ необходимо знание напряжения между точками схемы 1 и 2.

Iэ=(U1-2 – 0,6) / R3 = (I1R2 – 0,6) / R3.

Питание каскада производится от источников +Ек1 и – Ек2 с равными напряжениями относительно общей точки (земли).

С помощью напряжения Ек2 снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных смещений.

Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов Т1, Т2 и равенства сопротивлений Rк1, Rк2.

Благодаря этому, при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, Uвых = Uвых 1 – Uвых 2 = 0. Идентичность параметров транзисторов Т1 и Т2 легко достигается при интегральном исполнении, когда их изготовление осуществляется в едином технологическом процессе на общем кристалле полупроводника.

+ Ек1

Rк1 Iк1 Iк2 Rк2

Uвых 1 Uвых Uвых 2

Т1 Т2

Uвх 1 Iэ1 Iэ2 Uвх 2

Iэ

1 R1

+

R3 R2

I1

Рис.1 - Eк2

2

Если Uвх1 и Uвх2 замкнуты на общую точку схемы (землю), то Uвх = 0. Ток Iэ делится поровну между двумя транзисторами Iэ1= Iэ2= Iэ/2. Значение эмиттерных токов определяются входными токами смещения (базовыми токами покоя):

.

Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство их коллекторных токов Iк1 = Iк2 = αIэ / 2 ≈ Iэ / 2 и напряжений на коллекторах: Uк1 = Uк2 = Eк1 – IэRк / 2, где Rк= Rк1 = Rк2. Данное состояние схемы характеризует режим баланса каскада или режим покоя.

Uвх1 = Uвх2 = 0, Uвых = Uк1 – Uк2 = 0.

Пусть Uвх1 ≠ 0, при Uвх2 = 0. Предположим, что напряжение входного сигнала Uвх1 имеет положительную полярность.

Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток Iвх, увеличивающий ток базы транзистора Т1 и уменьшающий ток базы транзистора Т2. При этом токи Iэ1 и Iк1 увеличиваются, а токи Iэ2 и Iк2 уменьшаются. Изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов Iэ1+Iэ2 = Iэ остается неизменной.

Изменения коллекторных токов вызывают изменение потенциальной диаграммы каскада. Напряжение Uк1 = Ек1 – Iк1Rк1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -∆Uк1, противоположное по знаку напряжению входному Uвх1.

Напряжение Uк2 = Ек1 – Iк2Rк2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +∆Uк2 того же знака, что и напряжение входного сигнала.

Таким образом, для рассматриваемого способа подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора Т1 (Uвых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора Т2 (Uвых2) – неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:

.

Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов становится равным нулю, а ток Iэ протекает только через один из транзисторов (Т1). Тогда:

Uвых 1 = Ек 1 - Iэ·Rк

Uвых 2 = Ек 1

Uвых = Uвых 2 – Uвых 1 ≈ Iэ·Rк

Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности входного сигнала или при подключении его к другому входу.

Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада.

Входной ток каскада:

,

где Rвых – выходное сопротивление источника сигнала Uвх.

Входной ток создает приращение коллекторных токов ± ΔIк = ± βIвх и напряжений на коллекторах: ± ΔUвых1.2 = ± ΔIкRк = ± βIвхRк.

Коэффициент усиления по напряжению каскада (по обоим выходам Uвых1, Uвых2):

.

Коэффициент усиления по дифференциальному выходу (Uвых):

.

Весьма важным параметром дифференциального каскада является крутизна его передаточной характеристики S, т.е. величина, количественно характеризующая степень влияния Uвх на коллекторный ток транзисторов Т1 и Т2.

.

Так как Iк1 + Iк2 = αIэ = const, то dIк1 = - dIк2. Следовательно, . Максимальное значение крутизны передаточной характеристики получается при Uвх=0 .

С учетом этого усилительные свойства дифференциального каскада можно записать в более компактном виде с учетом комбинаций подачи входного напряжения и снятия выходного.

  1. Симметричный вход – несимметричный выход.

Для первого выхода

Для второго выхода , или , где S1(S2) – крутизна передаточной характеристики в рабочей точке.

  1. Симметричный вход – симметричный выход.

.

  1. Основные сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближается к воображаемому “идеальному усилителю”. С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства:

  1. бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А→ ∞);

  2. бесконечное полное входное сопротивление (Zвх → ∞);

  3. нулевое полное выходное сопротивление (Zвых → 0);

  4. равенство нулю выходного напряжения (Uвых = 0) при равных напряжениях на входах (U1 = U2);

  5. бесконечная ширина полосы пропускания (∆fпр= ∞).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 100000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

Первый каскад операционного усилителя – это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов U2 – U1 и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы). Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина Zвх и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

+U

Инв.вх.

Вых.

Неинв. вх.

-U Частотная корр.

Рис.2 Упрощенная схема операционного усилителя.

За входным каскадом, как показано на рис.2, следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения сдвига на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току.

Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.

На рис.3 для примера показано условное обозначение и цоколевка операционного усилителя К544УД2.

+U

1

Инверт. 2 7

вход -

6 выход

Неинв. 3

Вход 8

4

5

- U Рис. 3

7, 4 - выводы питания операционного усилителя;

1 – 8 - выводы частотной коррекции. Эти выводы используются

для предотвращения генерации операционного усилителя, если

последний не имеет внутренней коррекции;

6 - выход. Вывод, с которого снимается усиленное напряжение;

2 – инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход

заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал

выхода окажется сдвинутым по фазе на 180˚ относительно

сигнала на входе;

3 – Неинвертирующий вход. Если инвертирующий вход

заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то

выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе.

Основные параметры операционных усилителей

  1. Коэффициент усиления без обратной связи (А).

  2. Выходное напряжение сдвига (Uсдв). Небольшое нежелательное напряжение, возникающее внутри усилителя при нулевом напряжении на обоих входах. Является следствием неточного согласования напряжений эмиттер–база входных транзисторов. Обычно Uсдв равно нескольким милливольтам.

  3. Входной ток смещения (Iсм). Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

  4. Входной ток сдвига (Iсдв). Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. .

  5. Входное сопротивление Rвх. Сопротивление усилителя по отношению к входному сигналу. Как правило, Rвх превышает единиц мегаом.

  6. Выходное сопротивление Rвых. Внутреннее сопротивление усилителя по отношению к нагрузке. Обычно Rвых не превосходит нескольких сотен Ом.

  7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

  8. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем.

  9. Потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки), рассеиваемая операционным усилителем.

  10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (V). Измеряется в вольтах в микросекунду.

  11. Напряжение питания.

  12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход ступеньки напряжения.

Важнейшие правила

Операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на доли милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому:

  1. Выход операционного усилителя стремится к такому состоянию, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток менее десятков наноампер. Поэтому можно сформулировать второе правило:

  1. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения и расчета схем на операционных усилителях.

Повторитель напряжения

В схеме на рис.4 Uвых подается непосредственно на инвертирующий вход. Напряжение между входами Uд – это то напряжение, которое усиливается с коэффициентом усиления А. Напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · А.

Uд

Uвых

Uвх

Рис.4

Из закона Кирхгофа имеем Uвх + Uд = Uвых. Поскольку Uвых=Uд·А, получим, что Uд=Uвых/А. Следовательно, . Если А – приближается к бесконечности, то Uвых/А стремится к нулю, и в результате получаем равенство Uвх=Uвых.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим буферным каскадом.

Неинвертирующий усилитель

Схема на рис.5 позволяет использовать операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя с высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

Uвх Uд

Uвых

R1 Rос

Рис. 5

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления нашей схемы, напомним, что , так как Rвх → ∞. Имеем

и .

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно , поэтому

.

Следовательно, .

Поскольку Uвых = Uд · А и Uд=Uвых / А, то если, как мы предположили, А → ∞ и Uд ≈ 0, можно написать . Откуда найдем коэффициент усиления схемы Uвых / Uвх, который обычно называют коэффициентом усиления с замкнутой обратной связью Kос. Решая уравнение , получим .

Таким образом, значение сопротивления Rос и R1 определяют коэффициент усиления схемы по напряжению. Формула верна в случае, когда А » Kос.

Инвертирующий усилитель

R1 А Rос

Uвх Uд

Uвых

Рис. 6

Как следует из самого названия, входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180º. Если на схему подать положительное Uвх, то Uд станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться до тех пор пока напряжение на инвертирующем входе (точка А на рис.6) не станет почти нулевым: Uд = Uвых / А ≈ 0.

Таким образом, R1 и Rос действует как делитель напряжения между Uвых и Uвх, и отношение Uвых / Uвх равно таковому для Rос/R1. Точку А часто называют потенциальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, еще раз напомним, что , а Rвх усилителя весьма велико. Поскольку и , можно написать, что:

.

Знак минус перед правой частью этого равенства означает, что выход инвертирован. Полагая Uд = 0 (так как А → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен .

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1, в силу того, что, благодаря обратной связи, в точке А на рис.6 сохраняется приблизительно нулевой потенциал. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Усилитель с дифференциальным входом

Перед тем как начать рассматривать схему этого усилителя (рис.7), напомним, что разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ), так как очень мало отношение Uвых / А. Поэтому в данном разделе мы будем считать, что инвертирующий и неинвертирующие входы находятся под одинаковым напряжением, равным Uос.

R1 Rос

U1

Uд=0

U2 Uвых

R2ос

Uoc

Рис. 7

Заметим, что если U2 на рис.7 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.

Теперь, если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R΄ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос, где .

Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление,

имеем .

Приравняв второй и четвертый члены и, решая полученное уравнение относительно Uвых, имеем:

.

Подставляя выражение для Uос, получим:

.

Если положить R1 = R2 и Roc = R´oc (ситуация, которая наиболее часто встречается), получим . Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2.

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены между собой по постоянному току гальваническими связями, поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них приходится рассматривать только спад коэффициента усиления с возрастанием частоты.

K(дб)

100 f1

80

60

40 f1 ос

20 Рис.8

102 104 106 f, Гц

На рис.8 показана типичная частотная характеристика операционного усилителя.

Что вынуждает коэффициент усиления падать при возрастании частоты?

Вернувшись к рис.2, можно видеть, что приведенная там схема не имеет никаких конденсаторов; однако, следует помнить, что любая схема, – будь то интегральная схема или схема на дискретных компонентах, – содержит металлические проводники, отделенные друг от друга изоляторами. Это означает, что сам монтаж схемы обладает некоторой распределенной паразитной емкостью. Напомним также, что некоторой емкостью обладает любой p-n – переход в полупроводнике. При возрастании частоты эти паразитные емкости закорачивают на землю все большую часть сигнала переменного тока и, в конце концов, весь сигнал уходит на землю через паразитную емкость и не достигнув нагрузки.

Uвых

Uд = Uвх

Rн

Рис. 9

При вычислениях эти распределенные паразитные емкости можно объединить, как если бы они являлись одним конденсатором, и каждый каскад операционного усилителя представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника напряжения, сопротивления и паразитной емкости, как показано на рис.9.

При возрастании частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, что приводит к уменьшению полного сопротивления комбинации из включенных параллельно Rн и С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой напряжение на выходе Uвых окажется меньше, чем АUд.

Выражение для коэффициента усиления А на любой частоте

имеет вид , где А – коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f – рабочая частота; f1 – граничная частота или частота при 3 дБ, т.е. частота, на которой А(f) на 3 дБ ниже А, или равен 0,707·А.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]