Лабораторная работа № 2.

Аналоговые цепи на основе операционного усилителя.

621.375.018.756

Составитель: А.Ф.Кокорин

Научный редактор: Г. И.Пилипенко

Аналоговые цепи на основе операционного усилителя: Методические 'указания к лабораторной работе № 2 по курсу "Электроника и микропроцессорные устройства"/ А.Ф.Кокорин.-

Екатеринбург: УГТУ-УПИ.-20 с.

В методических указаниях описана лабораторная работа по электронике. Выполняя работу №2,студенты знакомятся с обработкой аналоговых сигналов, принципом действия и функционированием электронных схем на основе операционных усилителей.

Методические указания предназначены для студентов специальностей физико-технического факультета.

Лабораторная работа №2.

Аналоговые цепи на основе операционного усилителя

Цель работы.

Изучить работу операционного усилителя в схемах усиления, ограничения, преобразования и генерации аналоговых сигналов.

Теоретические сведения.

Операционные усилители. Устройство и принцип действия. Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи (ОС). В состав цепей ОС могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзи­сторы и некоторые другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ 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, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения, напряжение на его входе близко к нулю.

Входная цепь ОУ 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 поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим. Условное схематическое обозначение диф­ференциального операционного усилителя приведено на рис. 1а. Инвертирую­щий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Е_ПИТ1 и –Е_ПИТ2 от двух источников. Положительное и отрицательное напряжения питания обычно имеют одну и ту же величину, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

+Е_ПИТ1-

–Е_ПИТ2+

а) б)

Рис. 1. Графические символы ОУ на функциональных (а) и принципиальных (б) схемах.

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом. Один из которых будет инвертирующим (рис.2а), а другой — неинвертирующим (рис.2б). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле U_ВЫХ = (U_{ВХ +} - U_ВХ- ) К₀ , где К₀— коэффициент усиления ОУ. Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_ВЫХ = - U_ВХ- К₀, а для неинвертирующего U_ВЫХ = U_{ВХ +}* К₀. Разностное напряжение (U_{ВХ +} - U_ВХ-)— 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_{ВХ + =} U_ВХ- Для синфазного сигнала в соответствии с формулой выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в .реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2в и 2г.

а) б)

в) г)

Рис. 2. Инвертирующее (а), неинвертирующее (б), дифференциальное (в) и синфазное (г) включение ОУ.

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

• коэффициент усиления на постоянном напряжении K(0) = ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ;

• напряжение смещения нулевого уровня е_см — это напряжение, которое нужно приложить к входу ОУ, чтобы сделать U_ВЫХ= 0;

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

• разность входных токов Δ i_вх = i_вх+ - i_вх-;

• температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня Δе_см/ΔТ;

• температурный коэффициент разности входных токов Δ i_вх / ΔТ;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс — это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_диф / К_сф = К_осс;

• максимальный выходной ток I_вых._макс.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) f_пр=f₁ и максимальной ско­ростью нарастания выходного напряжения V_Uвыхmax . Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляет­ся с помощью RС-цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основ­ное назначение коррекции — предотвращать возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью отрицательной обратной связи.

Причина возникновения автоколебаний кроется в том, что в самом ОУ и в цепях обратной связи имеются фазовые сдвиги, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в положительную. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления на частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре составляет 360°. Иногда используют цепи коррекции, кото­рые уменьшают фазовый сдвиг на тех частотах, на которых коэффициент усиле­ния в замкнутом контуре больше единицы. Такую коррекцию называют опережа­ющей, так как она обеспечивает опережение по фазе. Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятием - изготовителем и приводятся в справочных руководствах. 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 делятся на следу­ющий группы по совокупности их параметров:

• универсальные, или общего применения (К(0) = 10³... 10⁵,f_пр =1,0... 10Мгц, е_см > 0,5 Мв);

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

• быстродействующие (V_Uвыхmax > 20 В/мкс, f _пр > 1 5 МГц);

• микромощные (I _потр < 1 мА).

В таблице 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...1ОООмкА.

Операционные усилители продолжают совершенствоваться; появляются новые типы, обладающие некоторыми особыми свойствами. Так, например, появились ОУ с внутренней гальванической развязкой входа и выхода. С этой целью в них введен оптрон, с помощью которого входные и выходные цепи ОУ оказываются разделенными.

Сравнительные характеристики ОУ

Тип ОУ	Группа	K(0)х10^3	есм, мкВ	Δесм/ΔТ, мкВ/К	Δ iвх, нА	Косс, dB	fпр, МГц	VUвыхmax , 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	10,00	10	100	>50,0	75,0
К1423УД1	Микромощные	10	5000	5,00	5-10^-4	70	0,05,..1,4	1,6...10^-2

Применение ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители. Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.3а. На инвертирующий вход ОУ в этой схеме подается сигнал, определяемый суммой входного и выходного напряжений и делителем на сопротивлениях R1 и R2. Так как неинвертирующий вход ОУ соединен с общим выводом, a U _ДИФ  0, то напряжение на инвертирующем входе также будет равно нулю. В результате для схемы рис.3а можно записать уравнение U _ВХ / R1 = - U _ВЫХ / R2, откуда находим коэффициент усиления усилителя: К _U = U _ВЫХ /U _ВХ = - R2 / R1.

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.3б. В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение обратной связи с выхода ОУ. Поскольку напряжение между входами равно нулю, то на инвертирующем входе также будет напряжение U _ВХ = U _ВЫХ (R1/(R1+R2)). Таким образом, коэффициент усиления определяется формулой K = 1 + (R2/R1).В частном случае, при R2 = 0 и любом значении R1, (кроме нуля) получаем повторитель напряжения с коэффициентом передачи К= 1.

а) б)

Рис. 3. Схема инвертирующего (а) и неинвертирующего усилителей (б) на ОУ.

С хемы интеграторов тока и напряжения приведены на рис. 4. Для схемы интегратора тока (рис. 4а) можно записать уравнения: i _ВХ = -i _C , U _c = (1/C) i _C dt, откуда получаем значение выходного напряжения U _ВЫХ = U _с = (1/C) i _C dt. Аналогично, можно записать для интегратора напряжения (рис. 4б) значение выходного напряжения, если учесть, что i_ВХ=U_ВХ/R, то U _ВЫХ = (1/RC) U _ВХ dt. Если на входе интегратора напряжения действует прямоугольный импульс амплитудой U_МАКС , то U _ВЫХ = - (U _ВХ/RC)t.

а ) б)

Рис. 4. Схема интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на ОУ

Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др.

Амплитудные ограничители на ОУ могут быть построены только на использовании свойства ОУ, ограничивать сигнал при достижении уровня близкого к величине источника питания (рис. 5).

Но чаще, амплитудные ограничители выполняются по схеме рис.6, в которой используется инвертирующий усилитель, в цепи об­ратной связи которого включены встречно стабилитроны VD1 и VD2.

Рис. 5. Передаточная (амплитудная) характеристика ОУ.

Рис. 6. Двухсторонний ограничитель.

Напряжение стабилизации встречно включенных стабилитронов определяет пределы ограничения выходного напряжения. При отрицательном входном напряжении U_ВХ напряжение ограничения определяется напряжением стабилизации VD1 и падением напряжения на прямосмещенном стабилитроне VD2, при положительном — наоборот. При наличии двух стабилитронов схема называется двухсторонним ограничителем, при наличии одного — односторонним. Односторонние ограничители используются также при согласовании аналогового устройства на ОУ с цифровыми схемами. В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона выбирается равным напряжению сигнала логической единицы.

Мультивибратор на ОУ состоит из триггера Шмитта (триггер с гистерезисом), охваченного обратной связью через фильтр нижних частот (рис. 7).

Рис. 7. Автоколебательный мультивибратор на ОУ.

Изменение потенциала на инвертирующем входе происходит постепенно, по мере заряда емкости. Напряжение на емкости стремится к уровню U_{ВЫХ МАКС} . При достижении уровня U_C равного или немного большего уровня напряжения, установленного на неинвертирующем входе, происходит переключение ОУ в противоположное предельное значение (-U_{ВЫХ МАКС} ). Уровень напряжения на неинвертирующем входе равен U₊ = * U_{ВЫХ МАКС} , где  = R1/(R1+R2). Из условия достижения экспонентой уровня, соответствующего равенству напяржений на входе, определяется длительность формируемых на выходе импульсов t_И1 = t_И2 = RC ln((1+)/(1-)) = RCln(1+(2*R1/R2)). Период колебаний T = 2*t_И1 = 2* t_И2 . Схема симметрична при равенстве напряжений источников питания Е_ПИТ1 и Е_ПИТ2 . ОУ в мультивибраторе работает в режиме ограничения при формировании импульса и в режиме усиления при переключении в противоположное состояние по выходу. Для введения несимметрии можно: либо подключить потенциал к левому по схеме (рис. 6) выводу резистора R1, либо ввести в схему два различных резистора R, подключаемых через противоположно включенные диоды, либо использовать источники питания с разными уровнями напряжения.

Программа работы и методические указания по ее выполнению.

В работе исследуются схемы инвертирующего усилителя, ограничителя, интегратора и мультивибратора.

Инвертирующий усилитель (рис.8).

В лабораторной работе измеряется коэффициент усиления и передаточная характеристика Uвых=f(Uвх) на средних частотах, амплитудно-частотная характеристика Кu=Ф(f).