47

Лабораторная работа №4

’’Исследование операционных усилителей и их типовых

вариантов использова­ния’’

Цель работы: ознакомление с принципиальной схемой операционного усилителя (ОУ) типа К140УД1. Приоб­ретение навыков работы с таким ОУ, измерение его основных пара­метров и характеристик. Исследование типовых схем включение ОУ (усилитель, сумматор, инте­гратор, дифференциатор и др.).

1. Теоретические положения

ОУ представляет собой многокаскадный дифференциальный усилитель постоянного тока c бесконечно большим коэффи­циентом усиления, и предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами. ОУ широко применяются в аналого­вой схемотехнике и являются базовыми элементами при по­строении функциональных узлов самого различного типа и назначения. Условное графическое изображение ОУ показано на рис. 4.1.

Идеальный ОУ, как идеальное усилительное звено, должен отвечать следующим требованиям:

1) коэффициент усиления по напряжению K_Uоу;

2) входное сопротивление R_ВХ.оу;

3) выходное сопротивление R_ВЫХ.оу0;

4 ) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ должна быть равномерной во всем диапазоне частот (рис. 4.2);

5) ОУ должен быть идеально сбалансирован, т.е. при U_ВХ = 0, U_ВЫХ = 0;

6) минимальный температурный и временной дрейфы нуля.

ОУ состоит из нескольких последовательно соединённых диффе­ренциальных усилителей (ДУ), которые позволяют получить требуемый ко­эффициент усиления; схемы согласования уровня (ССУ), которая обеспечи­вает U_ВЫХ = 0, при U_ВХ = 0; выходного устройства (обычно это усили­тель мощности), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность ОУ и минимальное выходное сопротивление. Также в ОУ содержится много дополнительных цепей и элементов: генераторы тока и опорного напряжения, цепи коррекции частотных характеристик, цепи балансировки, улучшающие устойчивость работы ОУ и его эксплуатационные ха­рактеристики в целом. У каждого ОУ имеются специальные дополнительные выводы для подключения внешних корректирующих цепей и элементов балансировки для обеспечения устойчивой работы ОУ (см. рис. 4.1).

Р ассмотрим принципиальную схему ОУ типа К140УД1 (рис.4.3).

Рис. 4.3. Принципиальная электрическая схема ОУ К140УД1

ОУ К140УД1 построен по четырехкаскадной схеме: первый каскад - дифференциальный с симметричным выходом, второй каскад тоже дифференциальный, но с несимметричным выходом, третий - согласующий и четвертый - мощный выходной каскад. На принципиальной схеме ОУ указанные каскады разделены пунктиром.

Первый усилительный каскад на транзисторах VT₁ и VT₃ представляет собой ДУ с двумя входами (прямым и инвертирующим) и двумя выходами.

Сигналы с выходов первого ДУ подаются на базы транзисторов VT₄ и VT₆, составляющих второй ДУ. Отличительной особенностью несимметричного ДУ является отсутствие нагрузочного резистора в коллекторной цепи одного из транзисторов (VT₄). Выходной сигнал снимается с коллектора VT₆ и подается на вход согласующего каскада на транзисторах VT₇ и VT₈. Задание и стабилизация исходных рабочих точек транзисторов ДУ осуществляется за счет цепи глубокой отрицательной обратной связи, выполненной на транзисторах VT2, VT5 и резисторах R₂, R₅, R₆, R₇.

В усилителях постоянного тока, какими и являются каскады 1 и 2 ОУ, происходит увеличение потенциала коллекторов по отношению к потенциалу на их базах по постоянному току, т.е. повышение их выходного потенциала по отношению к входному. В ОУ необходимо, чтобы при отсутствии сигнала на его входе потенциалы обоих входа и выхода были одинаковы. Следовательно, нужно возросший потенциал коллектора VT6, который приложен к базе VT7, снизить до уровня потенциала на входе ОУ. Эту задачу и решает согласующий каскад 3. На транзисторе VT₈ собран генератор стабильного тока (ГСТ) (его коллекторный ток определяется неизменным потенциалом базы).

Падение напряжения U_R9 от неизменного коллекторного тока на резисторе R₉ тоже величина неизменная. Достаточно так подобрать сопротивление R₉, чтобы сумма падений напряжений между базой и эмиттером транзистора VT₇, на резисторе и между базой и эмиттером транзистора VT₉: U = U_БЭVT7 + U_R9 + U_БЭVT9 была равна разности потенциалов между базой транзистора и выводами 9 и 10 (т.е. входами усилителя). Тогда потенциал вывода 5 (выход усилителя) окажется равным потенциалам входов. Диод VD₁ выполняет термокомпенсационные функции.

Выходной каскад на транзисторе VT₉ и резисторах R_11, R₁₂, представляет собой обычный эмиттерный повторитель, предназначенный для усиления сигнала по мощности и снижения выходного сопротивления усилителя.

Кроме того, на резисторах R₁₁, R₁₂ выполнена положительная обратная связь (ПОС), увеличивающая общий коэффициент усиления ОУ. При положительном сигнале на прямом входе 10 на выходе 5 также появляется усиленное положительное напряжение. Часть этого напряжения, снимаемая с резистора R₁₂, через резистор R₁₀ поступает на эмиттер VT₈, уменьшая разность потенциалов и тем самым подзапирая его относительно режима покоя. Уменьшение коллекторного тока I_K8 уменьшит падение напряжения U_R9, а значит, повысит потенциал базы VT₉, что приведет к дальнейшему увеличению выходного напряжения.