Tsimbalist_E_I_Silushkin_S_V_--_Issledovanie_analogovykh_skhem_v_programmno-apparatnoy_srede_NI_ELVIS_uchebnoe_posobie
.pdfв) выбрать транзистор с большей крутизной S;
г) выбрать транзистор с меньшей инерционностью; д) увеличить емкость C;
е) уменьшить R1.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
цель работы;
схемы и результаты эксперимента;
теоретические расчеты искажений;
сравнение результатов теории и эксперимента;
выводы.
151
Лабораторная работа № 6
Типовые схемы включения операционных усилителей
Цель работы
Овладение методикой исследования в программно-аппаратной среде NI ELVIS параметров и характеристик типовых схем операционных усилителей.
Задачи исследования
1.Подготовка к лабораторной работе, т. е. формирование знаний и пониманий процессов, происходящих в исследуемой схеме.
2.Проработка разделов порядка выполнения работы. Поиск ответов по каждому пункту на вопросы: как его реально выполнить? Что должно быть получено в результате его выполнения (прогнозируемый результат)?
3.Приобретение навыков исследования параметров и характеристик типовых схем операционных усилителей с использованием:
функционального генератора (FGEN) и осциллографа Scope;
регулируемого источника питания (Variable Power Supplies
DPS);
цифрового мультиметра (Digital Multimetr DMM);
анализатора амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик АЧХ/ФЧХ (Bode Analyzer).
4.Обработка полученных экспериментальных данных, подготовка и защита отчета.
Краткие сведения из теории
Операционным называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схемах с обратной связью. Однако область применения операционных усилителей (ОУ), выполненных в виде микросхем, значительно шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему, которая представляет из себя усилитель постоянного тока. Такой усилитель позволяет строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которой зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включен.
152
Таким образом, ОУ предназначены для проведения различных линейных и нелинейных операций над входными сигналами, а применение глубоких обратных связей позволяет обеспечивать высокое качество таких преобразований.
ОУ, согласно классификации по ГОСТ 4.465 86, делятся на универсальные (общего применения), прецизионные (инструментальные), регулируемые (микромощные) и т. д.
С другой стороны, в зависимости от соответствий входного и выходного сопротивлений ОУ с сопротивлениями источника сигнала и нагрузки различают усилители: с потенциальным или токовым входом, с токовым выходом. В зависимости от возможности получать амплитуду выходного сигнала до уровня напряжения примененного источника питания различают усилители типа rail-to-rail и т. д.
В справочной литературе обычно описывают следующие основные параметры ОУ:
коэффициент усиления по напряжению: отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного дифференциального напряжения;
частота единичного усиления: значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения падает до единицы;
максимальное выходное напряжение: максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения;
скорость нарастания выходного напряжения: отношение его изменения от 10 до 90 % от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение;
напряжение смещения: значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение было равно нулю;
входные токи: токи, протекающие через входные контакты ОУ;
разность входных токов;
дрейф напряжения смещения;
дрейф разности входных токов;
максимальное входное дифференциальное напряжение: напряжение, прикладываемое между входами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению микросхемы;
максимальное синфазное входное напряжение: наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входам ОУ
153
относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность микросхемы;
коэффициент ослабления синфазного сигнала: отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения;
выходной ток: максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность микросхемы.
Визмерительных устройствах необходимо усиливать с малыми искажениями слабые электрические сигналы, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех.
Прецизионный усилитель, используемый для этих целей, должен обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля и его дрейфом, малыми уровнями шумов, большим входным сопротивлением.
Влабораторной работе использован операционный усилитель OP-07 (российский аналог КР140УД17), который является прецизион-
ным усилителем прямого усиления и широко используется в схемотехнике измерительных устройств. Наиболее полная информация об операционном усилителе OP-07 приводится в DATA SHEET, предоставляемых фирмами-изготовителями. Часть сведений об этом ОУ приведена в Приложении А.
Операционный усилитель КР140УД17 имеет внутреннюю схему частотной коррекции и может работать в диапазоне питающих напряжений от 3 до 18 В каждой полярности при симметричном (двухполярном) питании, которое в основном и будет использовано в лабораторном цикле.
Предварительно познакомимся с важнейшими правилами, которые в первом приближении определяют поведение ОУ, охваченного петлей глубокой ООС и работающего в линейном режиме, когда его входы и выход не перегружены. Они справедливы почти для всех случаев.
Правило 1
Так как дифференциальное входное напряжение стремится к нулю, то входы ОУ эквипотенциальны.
Правило 2
Входы ОУ ток не потребляют.
Правило 3
По выходу ОУ близок к источнику ЭДС.
154
Таким образом, ОУ является источником ЭДС, управляемым ЭДС на входе.
В зависимости от вида ООС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ.
Инвертирующее включение ОУ
В инвертирующем усилителе (рис. 5.51) входной сигнал и сигнал обратной связи противоположного знака суммируются с помощью резисторов R1 и R2. Как известно, такая обратная связь называется параллельной по входу. Что касается обратной связи по выходу, то она является по напряжению, так как напряжение обратной связи
UОС = ОС UВЫХ
при ОС R1/(R1 R2) |
const пропорционально UВЫХ. |
|
R 2 |
Uвх |
R 1 |
|
Uвых |
|
A |
|
B |
Рис. 5.44. Типовая схема инвертирующего усилителя
Зная вид обратной связи и помня правила 1 и 2, можно определить основные параметры инвертирующего усилителя коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.
Воспользуемся вышеперечисленными правилами для получения формулы коэффициента усиления.
1.Потенциал точки А равен потенциалу точки В и также равен потенциалу земли. Поэтому в литературе точку А называют «виртуальная земля», «квазиземля» или «виртуальный нуль», «квазинуль».
2.Тогда UR1 = UВХ, а UR2 = UВЫХ.
3.Согласно правилу 2 и первому закону Кирхгофа получим:
UВХ R1 UВЫХ R2.
Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя
КИН UВЫХ UВХ R2R1.
155
Еще проще можно найти входное сопротивление усилителя. Так как UA 0, то RВХ И R1.
Не столь наглядно определяется выходное сопротивление. В этом случае следует воспользоваться постулатами теории обратной связи (ОС): если по выходу отрицательная ОС (ООС) по напряжению, то выходное сопротивление инвертирующего усилителя равно:
RВЫХ И = RВЫХ ОУ /(1 + КУ βОС),
где RВЫХ ОУ выходное сопротивление ОУ, КУ – коэффициент усиления ОУ.
Заметим, что с позиций теории ОС можно подтвердить полученные выше выражения для КИН и RВХ И.
В ОУ без ОС, начиная с некоторой частоты СР1 (рис. 5.52), наблюдается спад коэффициента усиления. Одной из причин этого спада является то, что ОУ для сигналов, поступающих от источника с конечным выходным сопротивлением, представляет собой емкостную нагрузку. Поэтому ОУ эквивалентен фильтру низких частот.
Kу |
|
|
|
|
K У1 |
|
|
|
|
K У2 |
OC2 |
|
|
|
OC3 |
|
|
||
K У3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
0 |
CP1 |
CP2 |
CP3 |
|
Рис. 5.52. Амплитудно-частотные характеристики инвертирующих усилителей с разной глубиной обратной связи
При введении ООС АЧХ усилителя зависит от параметров элементов цепи ОС. Так, для коэффициента усилителя, охваченного цепью ОС с коэффициентом передачи ос2 или ос3, происходит уменьшение коэффициента усиления и повышение частоты среза в (1 + КУ· ос) раз.
Действительно
К |
У( jω) КУ(0) (1 + j ω τ1), |
(1) |
где τ1=1/ωCP1, KУ(0) |
– коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. |
156
Подставляя (1) в формулу
КИН( jω) КУ ( jω)(1 КУ ( jω)βОС),
получим:
КИН |
( jω) |
|
1/βOC |
|
. |
|
τ1 |
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
1 jω |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 Ky(0)βOC |
||
|
|
|
|
|
Следовательно, для такого усилителя частота среза, определяемая из условия
ωCP |
1 |
1, |
1 Ky(0)βOC |
увеличивается пропорционально глубине ОС и полоса пропускания расширяется.
Для усилителей с АЧХ, характеризуемых (1), справедливо следующее утверждение: произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (определяется на уровне 3 дБ) величина постоянная, т. е.
КИН ωср = const.
Поэтому увеличение коэффициента усиления KИН приводит к сужению полосы пропускания и наоборот.
Полученные выражения являются базовыми и для неинвертирующего усилителя.
Изображенная на рис. 5.51 схема инвертирующего включения ОУ не является принципиальной. Скорее всего это схема для переменных составляющих тока и напряжения, так как в ней отсутствуют цепи питания усилителя.
Как отмечалось выше, в лабораторной работе в основном будет использовано симметричное, двухполярное питание, которое может быть получено или от встроенных в макет стабилизаторов напряжения на9 V и 9 V , или от регулируемых (VPS) источников: SUPPLY + и SUPPLY .
Первый вариант (рис. 5.53) будет использован при исследовании амплитудной характеристики схем с ОУ, так как регулируемые источники NI ELVIS являются источниками входного напряжения.
157
Рис. 5.53. Инвертирующее включение ОУ с двухполярными источниками по 9 В
Как известно, амплитудной характеристикой (АХ) является зависимость выходного напряжения схемы от входного. Так как исследуется схема инвертирующего включения ОУ, то вид идеализированной АХ будет соответствовать рис. 5.54, а наклон АХ на линейном участке определяется коэффициентом усиления по напряжению, т. е. зависит от номиналов используемых резисторов в цепи обратной связи.
Рис. 5.54. Типичный вид амплитудной характеристики инвертирующего включения ОУ для двухполярного и симметричного питания
При использовании двухполярных напряжений питания ограничение значений максимального выходного напряжения в схемах с такими ОУ происходит на уровне (0,8÷0,9) от значений источников питания.
158
Если модули напряжений питания одинаковы, то изломы на АХ будут симметричными. Для разных значений модулей уход с линейного режима работы схемы в нелинейный будет ассиметричным.
Второй вариант (рис. 5.55) двухполярного питания может быть применен для исследования схем на максимальную амплитуду выходного гармонического сигнала при использовании на входе напряжения, получаемого с функционального генератора FGEN с его выхода FUNC OUT.
|
R 2 |
|
|
FUNC OUT |
R 1 |
to CHB+ Scope |
|
|
IN- OUT |
or Bode Analyzer |
|
|
|
or Dynamic Signal Analyzer |
|
FGEN |
+U |
Supply+ |
|
IN+ |
Supply |
||
|
|||
|
-U |
||
GROUND |
|
|
Рис. 5.55. Инвертирующее включение ОУ с двухполярными источниками питания от NI ELVIS: SUPPLY+ и SUPPLY
Если для всех мгновенных значений входного сигнала ОУ работает в линейном режиме, то выходной сигнал также будет практически гармоническим (рис. 5.56).
Рис. 5.56. Работа ОУ в линейном режиме
159
Когда на некоторых участках входное напряжение переводит ОУ в нелинейный режим работы, то на выходном напряжении формируется отсечка: симметричная при симметричной АХ (рис. 5.57) и несимметричная в противном случае.
Рис. 5.57. Формирование отсечки выходного напряжения при заходе усилителя в нелинейный режим работы
Использование двухполярного источника питания не является единственно возможным. Схема с однополярным питанием, например, реализуется тогда, когда один из входов ОУ, куда подключается источники питания, заземляется.
Представим, что в схемах, изображенных на рис. 5.53 или 5.55, оставлен только источник питания положительной полярности. Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источников питания, как это обычно делается в случае двухполярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания.
Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет.
Наиболее естественно использовать однополярное питание ОУ тогда, когда источник входного сигнала имеет постоянную составляющую, желательно на уровне половины примененного в схеме питания.
На рис. 5.58 и 5.59 представлены примеры схем подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.
160