Исследование усилительных каскадов

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ОУ - операционный усилитель, ООС - отрицательная обратная связь, КООС - коэффициент ослабления синфазного сигнала ( Fs ) , К - коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи, К – - коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя на ОУ, К + - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего ус и лителя на ОУ, «– » - инвертирующий вход ОУ, «+» - неинвертирующий вход ОУ, R вх . оу , R вх . ус , - входное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно, R вых . оу , R вых.оу - выходное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно, U см - входное напряжение смещения ОУ, см1,2 - токи смещения инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, соответственно, р - разностный входной ток ОУ, см - средний ток смещения ОУ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью настоящей работы является: 1. изучение основных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ; 2. изучение схемотехники усилительных устройств на ОУ; 3. выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на интеграл ь ных микросхемах. 2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 2.1 Изучить основные параметры ОУ и методики их определения (по д разделы 3.1 , 3.2 , Приложение 1). 2.2 Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертиру ю щего, дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета (подразделы 3,2,4). 2.3 Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторн о го макета (раздел 4). 2.4 Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6). 2.5 Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необход и мые данные, кроме экспериментальных (раздел 5). 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с ди ф ференциальным входом, имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=10 4 ...10 6 ), большое входное ( R вх =0.1...100 МОм) и малое выходное ( R вх =50...400 МОм) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...10 3 , но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает R вх.ус и умен ь шается R вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо . 3.1. Основные параметры ОУ. Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой гру п пе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств: 1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К; 2) входное сопротивление R вх.оу и входная емкость C вх.оу ; 3) выходное сопротивление R вых.оу ; 4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характер и стика (АЧХ); 5) напряжение питания (обычно 15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки. Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «– ») и неинвертирующий (вход«+»). Рис. 3.1. При подаче сигнала на вход «– » выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся: 1) входное напряжение смещения U см ; 2) входной ток смещения см (входной ток по входу «– » - см1 , входной ток по входу «+» - см2 ); 3) разность входных токов смещения р = см1 – см2 ; 4) коэффициент ослабления синфазных сигналов F s оу , характеризу ю щий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно. Входное напряжение смещения U см определяется, как напряжение, к о торое требуется приложить между входами «– » и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем, чтобы обеспечить U вых =0. В идеальном случае при нулевом дифференциал ь ном входном напряжение на выходе ОУ напряжение U вых =0, реально имее т ся U вых 0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального ка с када. Когда обеспечено U вых =0 путем подачи на вход усилителя U см, гов о рят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигн а лов как на вход «+», так и на вход «– ». ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транз и сторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, упра в ляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. П о этому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протек а ния постоянных токов смещения см , в противном случае усилитель будет неработоспособен . Входной ток смещения см , приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения см =( см1 – см2 )/2, (3.1) отличие во входных токах смещения характеризуется справочными п а раметром р.= см1– см2. (3.1а) Влияние параметров U см , см , р на работу усилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе. 3.2 Схемы включения ОУ Основными схемами включения ОУ являются инвертирующая, неи н вертирующая, дифференциальная схемы. Инвертирующее включение ОУ Схема инвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.2. Рис. 3.2 Рис 3.3 Сопротивление отрицательной обратной связи R ос , включенное с выхода усилителя на инвертирующий вход «– », образует цепь параллельной обра т ной связи по напряжению. Коэффициенты усиления инвертирующего усил и теля: K _ = _ ___ KR ос_____________________ R 1 (Rос / R 1 + R ос / R вх.оу + 1 + K ) (3.3) где R вх.оу, - дифференциальное входное сопротивление ОУ, К - коэффициент усиления ОУ без ООС. При R вх.оу >> R ос и К >> 1 K _ - R ос / R1. (3.4) Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется вел и чиной R 1: R вх.ус R1, и так как R 1 относительно мало (от единиц до сотен килоом), то эта схема включения характеризуется малой величиной входного сопротивления. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R вых.ус R вых.оу /(1+К / K _ ), (3.5) где R вых.оу - выходное сопротивление ОУ. Для установки нуля инвертирующего усилителя используется вход «+» (см. рис. 3.3.). Неинвертирующее включение ОУ. Схема неинвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.4. Рис. 3.4 Рис. 3.5 Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (3.6) При R вх.оу >> R ос и К >> 1 . (3.7) Входное сопротивление неинвертирующего усилителя . При глубокой ООС, когда фактор обратной связи F = ( K / K + ) 1 , R вх.ус R 3 , (3.8) то есть входное сопротивление определяется величиной навесного эл е мента R 3 . Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя R вых.ус R вых.оу / (1+ F ) R вых.оу . (3.9) Для установки нуля неинвертирующего усилителя используется вход «– » (см. рис.3.5). Важным частным вариантом схемы рис.3.4 при R ос = , является схема повторителя напряжения на ОУ, представлена на рис.3.6. Рис.3.6. Повторитель охвачен 100%-й ООС ( F =К 1),имеет единичный коэфф и циент передачи по напряжению и входные и выходные параметры, близкие к параметрам идеального усилителя: K + =1, R вх.ус = ( R вх.оу К) , (3.10) R вых.ус = ( R вых.оу / К) 0. Дифференциальное включение ОУ. Схема дифференциального включения ОУ (рис.3.7) использует инве р тирующий и неинвертирующий входы рис.3.7 Дифферециальный усилитель (ДУ) усиливает дифференциальные вхо д ные сигналы U вх.диф. =( U c 2 – U с1 ), действующие между инвертирующими и н е инвертирующими входами усилителя. ДУ ослабляет синфазные входные сигналы U вх.синф. = U c 2 = U с1 , действующие между входами усилителя и общей точкой («землей»). Ослабление U вх.синф. происходит только в том случае, если модули коэ ф фициентов усиления по инвертирующему (вход 1) и неинвертирующему (вход 2) входами равны. Из формул (3.3) и (3.7) следует, что при одних и тех же элементах R 1 и R ос, в инвертирующем и неинвертирующем усилителях │'a6 K – │'a6 K + . Для их выравнивания в ДУ перед входом «+» включается делитель напряжения R 3 , R 2 с коэффициентом деления R 2/( R 2+ R 3) , обеспечивающий результирующий коэффициент усиления по входу2: (3.11) При обеспечении равенства (3.12) из (3.11) следует, что . В этом случае при подаче на входы 1, 2 сигналов Uc 2 , U с1, напряжение на выходе усилителя равно . (3.13) Из (3.13) следует, что ДУ ослабляет синфазные сигналы U вх.синф.= Uc 2= U с1 так как при этом U вых =( U вх синф К + * )/ F s ус →'3e 0, где F s ус - коэффициент ослабления синфазных сигналов дифференц и альным усилителем на ОУ (сам ОУ имеет коэффициент ослабления синфа з ных сигналов F s ). В идеальном ДУ когда F s и абсолютно точно выпо л няется (3.12), величина F s ус . На практике из-за ограниченности F s р е альных ОУ и неточности выполнения (3.12) наблюдается конечная величина F s ус. . Для ее увеличения при заданном типе ОУ часто применяют вместо ди с кретных сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , R ос интегральные резистивные матрицы сопротивлений, выполненные на одной подложке по одному технологич е скому циклу. Значения сопротивлений резистивных матриц при действии д е стабилизирующих факторов (температура, старение и др.) изменяются по одинаковому закону, при этом условие (3.12) выполняется с высокой точн о стью (с относительной погрешностью 10 -3 …10 -4 ). Это позволяет достигнуть в ДУ на ОУ, работающих в широком диапазоне температур окружающей ср е ды, значения F s ус. , близкие к F s . При использовании в ДУ дискретных сопр о тивлений R 1 , R 2 , R 3 , R ос увеличение F s ус. может быть достигнуто только в узком температурном диапазоне путем подстройки сопротивлений для обе с печения (3.12), (3.13) с требуемой точностью. Дифференциальные сигналы в ДУ, как следует из (3.13), усиливаются с коэффициентом усиления (3.14) 3.4. Влияние напряжения и токов смещения на работу усилителя на ОУ Наличие U см и см приводит к возникновению в усилительном каскаде на этом ОУ выходного напряжения сдвига U вых.сдв при нулевом входном си г нале. Амплитудные характеристики неинвертирующего усилителя при ра з личных U вых.сдв приведены на рис.3.8. Рис.3.8. Видно, что наличие U вых.сдв 0 приводит к погрешности усиления п о лезных сигналов, а так же к изменению динамических диапазонов входных сигналов положительной и отрицательной полярности. Величина U вых.сдв определяется параметрами ОУ и схемой его включения. Порядок оценки U вых.сдв в усилителях на ОУ. 1. В анализируемом усилителе определяют эквивалентное сопротивл е ние R – по постоянному току между входом «– » ОУ и общей точкой («зе м лей») и эквивалентное сопротивление R + по постоянному току между входом «+» ОУ и общей точкой ( R + и R – определяют с учетом сопротивления R с и с точников сигналов по постоянному току). 2. Рассчитывают напряжения, вызываемые см 1 , см 2 на инвертиру ю щем и неинвертирующем входах усилителя U1= см 1 R – , U 2 = см2 R + . 3. Рассчитывают коэффициенты усиления К + и К – на постоянном токе. 4. Рассчитывают U вых.сдв по формуле U вых.сдв = К + U см + К – U 1 + К + U 2 (3.15) Например, для схемы инвертирующего усилителя (рис.3.2) при R c R 1 , R – = R 1 R ос / ( R 1+ R ос ), R + = R 2 , U вых.сдв. R ос [ ( U см + см2 R 2 ) / R 1 - см 1 ] , (3.15а) для схемы неинвертирующего усилителя U вых.сдв. R ос [ ( U см + см2 R с ) / R 1 - см 1 ] , (3.15б) 3.5. Измерение напряжения и токов смещения ОУ Измерение U см Из формул (3.3), (3.7), (3.15) следует, что U см можно определить по в ы ходному напряжению усилителя при R – = R + =0 , то есть путем измерения U вых. В схеме повторителя рис.3.9. при R – =0 . рис.3.9. U см = U вых ( 3.16 ) R + =0 R – =0 . Измерение см 1 и см2 При R +=0 , R – 0 ( см. формулу (3.15) ) U вых = U см – см 1 R – , откуда (3.17) аналогично, при R – =0 , R + 0 , U вых = U см + см2 R + , (3.18) Определив см 1 и см2 , рассчитывают см и р по формулам (3.1) и (3.1а). 4.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ В состав лабораторной установки входят : 1) лабораторный макет ; 2) лабораторный блок питания (типа ТЭС 13) ; 3) универсальный вольтметр (типа В7-15, В7-16). Лабораторный макет содержит : а) усилитель на ОУ (типа К140УД9) с коммутационными элементами, обеспечивающими схем инвертирующего усилителя, повторителя напряжения, не инвертирующего усилителя ; б) дифференциальный усилитель на ОУ с внешними сопротивлениями, выполненными на микросхемной резистивной матрице (типа 301НР1) ; ди ф ференциальный усилитель включается специальным переключателем (Вкл) и расположен в правой нижней части лицевой панели лабораторного макета; в) два встроенных источника регулируемого постоянного напряжения ( U вых = – 1 .5…+1.5В), расположенных на верхней части корпуса лабораторн о го макета ( U 1, U 2); г) встроенное переменное сопротивление (для измерения R вых усилит е ля), выводы которого расположены в левой верхней части лицевой панели лабораторного макета; д) встроенный источник регулируемого постоянного напряжения, пре д назначенного для компенсации напряжения смещения усилителя (с возмо ж ностью грубой и плавной регулировки), расположенный в левой нижней ч а сти лицевой панели лабораторного макета. Питание лабораторного макета осуществляется от источника постоя н ного напряжения Е п =24…30В. Внешний вид лицевой панели с нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторного макета представлен на рис.4.1. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 5.1. Измерение токов и напряжения смещения. а) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R – =0 и R + =0 . Измерить U вых усилительного каскада, U см = U вых . б) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R + =0 и R – =1 Мом. Измерить U вых , рассчитать см1 по формуле (3.17), используя значение U см , полученные в пункте а. в) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R – =0 и R + =1 Мом. Измерить U вых , рассчитать см2 по формуле (3.18). г) Определить см и р по формулам (3.1) и (3.1а). Занести результаты в таблицу 5.1. Таблица 5.1. тип ОУ U см см1 см2 см р К14ОУД9 5.2. Исследование инвертирующего усилителя а) Набрать на лабораторном макете схему инвертирующего усилителя (рис.3.2), обеспечив R 1 36 кОм, R ос 1 Мом, R 2 1 Мом. Провести измерения R 1 и R ос при помощи универсального вольтметра (с обязательным их отключением в процессе измерения от входа «– » ОУ). Рассчитать К – по формуле (3.3). Определить U вых.сдв. усилителя по формуле (3.15а). Результаты занести в таблицу 5.2. Таблица 5.2. R1 R ос К – U вых.сдв R вх Расчет Эксперимент б) Снять зависимости выходного напряжения усилителя от входного, построить амплитудную характеристику усилителя. В качестве U вх И с пользовать встроенные источники регулированного постоянного напряж е ния ( U 1 , U 2 ). Измерить U вых.сдв. усилителя путем измерения U вых при U вых.сдв =0, сравнить с результатами расчетов по формуле (3.15а). в) Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.3.). используя грубую и точную регулировку U см установить U вых =0 с погрешностью 5мВ. Повторно снять амплитудную характеристику усилителя и построить ее на одном графике с АХ, пол у ченной в пункте б). Измерить К – = U вых / U вх , сравнить с расчетом по форм у ле (3.3). г) Измерить R вх при помощи внешнего переменного сопротивления, выводы которого выведены на панель лабораторного макета. Измерения проводить по методике, изложенной в приложении 1. Результат измерения сравнить с R 1, сделать выводы. Занести результаты в таблицу 5.2. результаты измерения К – , U вых.сдв , R вх . Примечание: Номиналы сопротивлений R 1, R 2, R ос могут быть о т личны от указанных в пункте а. и заданны преподавателем из имеющегося набора сопротивлений. 5.3 Исследование неинвертирующего усилителя а) Набрать на лабораторном макете схему неинвертирующего усил и теля (рис.3.4.), обеспечив R 1 100 кОм, R ос 1 Мом, R 3 1 Мом (см. прим е чание в подразделе 5.1). Провести измерения R 1 , R ос как это указанно в подразделе 5.1. Ра с считать К + по формуле (3.7). Определить U вых.сдв усилителя по формуле (3.15б). Результаты занести в таблицу 5.3. Таблица 5.3 R1 R ос К + U вых.сдв R вх Расчет Эксперимент б) Измерить U вых.сдв усилителя путем измерения при U вых при U вх =0. Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.5). Используя грубую и точную регулировку U см установить нулевое входное напряжение с погрешностью менее 5мВ. Снять ампл и тудную характеристику усилителя, построить ее на одном графике с АХ инвертирующего усилителя. Измерить К + = U вых / U вх , сравнить с расчетом по формуле (3.7) в) Определить R вх неинвертирующего усилителя по методике изл о женной в приложении 1. Сравнить входное сопротивление инвертирующ е го и неинвертирующего усилителей, сделать выводы. Занести в таблицу 5.3. результаты измерения. 5.4 Исследование дифференциального усилителя. а) Включить схему дифференциального усилителя. Измерить U вых.сдв для чего измерить U вых при подключенных к общей точке («земле») обоих выходов усилителя. б) Используя встроенные источники регулируемого напряжения п о дать на неинвертирующий вход дифференциального усилителя сигнал U с1 =+30…+50 мВ, а на неинвертирующий вход - сигнал U с2 =+50…+100 мВ. Измерить U вых , сравнить его с результатом расчета по формуле (3.13). в) Подключить ко входам дифференциального усилителя сигналы U с1 = U с2 =(2…3)В. Измерить U вых , рассчитать коэффициент ослабления синфазных сигналов усилителем по формуле: где К + определяется по формуле (3.11), Повторить измерения Fs ус при U с1= – (2…3)В. Определить F s ус [дБ]=20 F s ус 5.5 Оформление отчета. Отчет должен содержать: а) схемы инвертирующего, неинвертирующего и дифференц и ального усилителей на ОУ; б) результаты расчетов, измерений, таблицы и графики, требу е мые лабораторными заданиями; в) заключение о соответствии полученных результатов теорет и ческим данным. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Основные параметры ОУ. 2. Инвертирующее включение ОУ. 3. Неинвертирующее включение ОУ. 4. Дифференциальное включение ОУ. 5. Повторители напряжения на ОУ. 6. Схемы установки нуля в инвертирующем и неинвертирующем усилителях. 7. Влияние выходного напряжения сдвига на амплитудную хара к теристику усилителя. 8. Определение выходного напряжения сдвига усилителей на ОУ. 9. Измерение токов и напряжения смещения ОУ. 10. Методика измерения входного сопротивления усилительных каскадов. ЛИТЕРАТУРА 1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989, подразделы 7.1, 7.2, 8.2. 2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие /Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под редакцией Н.В. Терпугова. - М.: Высш. школа, 1982, §3.2. 3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985, §1.5-1.8, 3.1-3.3. Приложение 1. ИЗМЕРЕНИЕ ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯУСИЛИТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ ИСТОЧНИКА СТАБИЛЬНОГО СИГНАЛА И ИЗВЕСТНОГО ВНЕШНЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Схема для измерения R вх.ус представлена на рис.П.1., где R - известное внешнее сопротивление, U с - напряжение входного сигнала. рис.П.1. При подаче на вход исследуемого усилителя U с при R =0 ( R - короткоз а мкнуто) напряжение на выходе усилителя равно: U 1 = U c K 0 , где K 0 - коэффициент усиления усилителя по напряжению. При включ е нии R 0 напряжение на выходе усилителя уменьшается, так как из-за нал и чия делителя напряжения ( R , R вх.ус ) уменьшается напряжение на выходе ус и лителя пропорционально величине = R вх.ус /( R + R вх.ус ) . При этом напряж е ние на выходе усилителя равно . Из выражения для U 2 и U 1 видно, что , откуда следует: Следовательно, зная R и , можно определить R вх.ус .