4.3. Контрольные вопросы

1) Что такое транзистор и для чего он используется?

2) Какие типы транзисторов существуют?

3) Какие режимы работы транзистора существуют?

4) Какие схемы включения транзисторов применяются?

5) Какую схему называют эмиттерным повторителем?

4.4. Содержание отчета

1) Типы транзисторов.

2) Назначение транзисторов.

3) Исследуемые схемы с параметрами выходных сигналов.

4) Таблица экспериментальных и расчетных данных.

5) Выводы о проделанной работе.

Лабораторная работа 5

аналоговЫЕ микросхемЫ.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Ц е л ь р а б о т ы: изучение принципа действия операционного усилителя (ОУ), изучение основных свойств операционных усилителей, исследование основных схем на ОУ.

5.1. Краткие теоретические сведения

Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования.

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и несимметричным выходом, характеризующийся высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности. ОУ способен устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Входной каскад операционного усилителя выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует только на разность приложенных напряжений, т. е. на дифференциальный сигнал.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах, одновременно получается выигрыш в габаритах и массе.

Согласно ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) обозначения элементов аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на основе прямоугольника (рис. 5.1, а). Он может содержать основное и одно или два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного. На схемах усилитель обозначается треугольником на основном поле. Справа от него указывают коэффициент усиления. Если конкретное значение коэффициента усиления несущественно, его допускается не указывать (можно также выносить знак бесконечности ∞). На упрощенных схемах (рис. 5.1, б) напряжение питания не показывается.

Рис. 5.1. Условно-графическое обозначение

операционного усилителя

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее нап-ряжение. При двухполярном питании постоянное напряжение на несимметричном выходе отсутствует при условии, что постоянных напряжений на входе ОУ нет.

Для большей наглядности схем допускается упрощенное обозначение ОУ, в котором сохраняются лишь основное поле и сигнальные выводы (см. рис. 5.1, б). Общий провод также может быть не показан.

На рис. 5.2 показана цоколевка операционного усилителя (ОУ) К140УД7. ОУ специально созданы для использования в схемах с глубокой отрицательной обратной связью так, чтобы параметры устройств определялись преимущественно параметрами цепи ООС, а сам ОУ был функционально незаметен. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному. С идеальным ОУ обычно связывают следующие свойства: бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания, бесконечное входное и нулевое выходное сопротивление. Кроме того, усилитель не должен иметь статических ошибок, изменяющихся от температуры и времени.

Рис. 5.2. Расположение выводов (цоколевка) ОУ типа К140УД7

Как и все электронные приборы, операционные усилители характеризуются своими параметрами − основными показателями, по которым выбирают тот или иной прибор для применения в реальной схеме. В качестве примера приведем операционный усилитель К140УД7, он относится к ОУ среднего класса точности с внутренней частотной коррекцией. Основные параметры ОУ приведены в табл. 5.1.

Т а б л и ц а 5.1

Основные параметры ОУ К140УД7

Параметр ОУ	Значение параметра
Коэффициент усиления по напряжению (Кu оу)	> 50000
Частота единичного усиления, мГц (f1)	> 0,8
Напряжение источника питания, В (± Uп)	±15
Потребляемый ток, мА (Iпот)	< 2,8
Максимальная амплитуда выходного напряжения, В (IUвых)	11,5
Напряжение смещения, мВ (Uсм)	4
Ток входной, нА (Iвх)	< 200
Разность входных токов, нА ( Iвх)	< 50
Сопротивление входное, мОм (Rвх)	> 0,4
Сопротивление выходное, Ом (Rвых)	< 150
Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ / град ( Uсм / Т °С)	< 6
Скорость нарастания выходного напряжения, В / мкс (VU вых)	0,7
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ (Кос. сф)	70
Напряжение синфазного сигнала (максимально допустимое), В (Uвх. сф max)	15
Сопротивление нагрузки (минимально допустимое), кОм (Rн)	2

При анализе схем на ОУ с отрицательной обратной связью обычно принимают следующие упрощающие предположения (при R_{вх оу} → ∞ и К_{U оу} → ∞):

1) входы ОУ не потребляют тока;

2) напряжение между входами ОУ равно нулю. Последнее предположение следует из того, что при К_{вх оу} → ∞ напряжение на выходе ОУ всегда конечно и по значению меньше напряжения питания U_n, что может иметь место только при U1 – U2 = 0 или U1 = U2, где U1 и U2 – напряжение на входах ОУ. Рассмотрим типовые схемы включения ОУ.

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя с обратной связью определяется по формуле:

, (5.1)

где R_о.с – сопротивление в цепи обратной связи;

R1 – сопротивление на входе усилителя.

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 5.3. Знак минус в правой части формулы (5.1) указывает на то, что выходной сигнал инвертирован относительно входного.

Рис. 5.3. Схема инвертирующего усилителя

Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на низких частотах равен нулю. С увеличением частоты наблюдается отставание по фазе выходного сигнала за счет наличия реактивных элементов схемы, в том числе паразитных. Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 5.4.

Коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью

. (5.2)

Если R_о.с = 0; R1 = ∞, то получим схему повторителя напряжения.

Интегрирующее звено представляет собой линейную схему на ОУ, в которой в цепи отрицательной обратной связи применен реактивный элемент (катушка индуктивности или конденсатор). Для построения активного интегратора может использоваться как инвертирующее, так и неинвертирующее включение ОУ.

Рис. 5.4. Схема неинвертирующего усилителя

Простейшая схема инвертирующего интегратора на ОУ с использованием конденсатора представлена на рис. 5.5. Этот интегратор имеет передаточную функцию.

Рис. 5.5. Схема инвертирующего интегратора

Схема дифференциатора представлена на рис. 5.6. Элементы С1, R_о.с образуют основную дифференцирующую цепь.

Рис. 5.6. Схема дифференциатора