5.Оформление отчета и анализ полученных результатов

5.1.Согласно п. 4.1 дается краткое описание паспортных данных ОУ К140УД7 и схем его включения в лабораторном макете. Приводятся схемы макета, выпол­ненные согласно требованиям ГОСТа.

5.2.Выполняются расчеты, необходимые в разделе «Экспериментальные ис­следования», сравниваются результаты теоретических расчетов и эксперимен­тов.

5.3.Приводятся диаграммы входных и выходных сигналов с обязательным указанием их численных значений, как показано на рис. 2.8.

5.4.Анализируются полученные зависимости и даются критические оценка полученных результатов.

А)

Рис 2.8. Диаграммы входного (а) и выходного (б) сигналов

6.Контрольные вопросы

6.1.Назовите характеристики идеального ОУ.

6.2.Дайте определение напряжения смещения ОУ,

6.3.Назовите основную причину возникновения Uсм и Iсд на входе ОУ на биполярных транзисторах.

6.4.Объясните, почему повторитель напряжения является хорошим бу­ферным каскадом?

6.5.Укажите, что произойдет с Кос, Rbx.oc при увеличении петлевого ко­эффициента усиления.

6.6.Перечислите причины появления сдвига Uвых под действием Iсм .

6.7.Почему Кос идеального ОУ с замкнутой ОС полностью определяется цепью ОС?

6.8.Изложите кратко принцип действия схемы для измерения Icм, исполь­зуемой в лабораторной работе.

6.9.Дайте определение ООС.

6.10.Укажите, почему усиление синфазного сигнала нежелательно.

6.11.Назовите два основных фактора, приводящих к появлению темпера­турного дрейфа ОУ.

6.12.Каково главное преимущество ОУ со стабилизацией прерыванием?

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

ИНТЕГРАТОР И ДИФФЕРЕНЦИАТОР, СУММИРУЮЩИЕ СХЕМЫ

1.Цель работы

Исследование динамических характеристик ОУ, способов частотной кор­рекции его амплитудно-частотной характеристики, схем интегратора и диффе­ренциатора на основе ОУ, суммирующих схем.

Рекомендуемая литература [1-6, 12. 13].

2.Общие сведения

Если ОУ используется для усиления сигналов переменного тока, то важное значение приобретают его параметры, зависящие от частоты этого сигнала. Они называются динамическими параметрами.

Следует различать, какой величины переменные напряжения на выходе ОУ: малой (с амплитудой ниже 1 В) или большой (с амплитудой свыше 1 В). Ес­ли на выходе только сигналы переменного напряжения малой величины, то важ­ными параметрами ОУ, ограничивающими его возможности, являются шумы и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Если на выходе ожидаются сигна­лы переменного напряжения большой величины, то параметр ОУ, называемый

максимальной скоростью нарастания выходного напряжения, определяет, будет ли О У вносить искажения в этот сигнал или нет.

В идеальном случае ОУ должен иметь полосу пропускания, равную бесконечности. Это означает, что если, например, для сигналов постоянного тока усиление ОУ равно 80 дБ. то оно должно иметь такую же величину и для сигна­лов в диапазоне от звуковых частот до радиочастот. Однако, как показано на рис.

3.1.а, коэффициент усиления реальных ОУ на высоких частотах уменьшается (падает).

Уменьшение усиления вызвано влиянием ёмкостей в схеме самого ОУ. Эти распределенные ёмкости можно объединить в одну и представить ОУ в виде эквивалентной схемы (рис. 3.1,6). Реактивные сопротивления, которыми обла­дают ёмкости, на высоких частотах уменьшаются, приводя к шунтированию це­пей прохождения сигнала и тем самым к уменьшению сигнала на выходе. Наря­ду с уменьшением коэффициента усиления на высоких частотах увеличивается сдвиг по фазе выходного сигнала относительно входного (рис. 3.2). На низких частотах разность фаз между сигналами на инвертирующем входе и выходе ОУ близка к 180°. На более высоких частотах выходной сигнал запаздывает относи­тельно входного более чем на 180°; и это дополнительное запаздывание называ­ется фазовым сдвигом. Дополнительный сдвиг фазы добавляется к первоначаль­ному запаздыванию, вызывая общее запаздывание более 180°, и может достигать сдвига в 360°

Рис. 3.1. Коэффициент усиления реального ОУ (а) и эквивалентная схема распределённых ёмкостей (б)

Рис. 3.2. Фазовый сдвиг входного сигнала

Обычно зависимость коэффициента усиления по напряжению и фазовый сдвиг от частоты выражаются в следующем виде:

, .

где К - коэффициент усиления ОУ без ОС на постоянном токе; f- рабочая (те­кущая) частота входного сигнала; f_CP- частота среза или частота, на которой K(f) на 3 дБ ниже К (или равен 0,707 К); -фазовый сдвиг выходного сигнала.

Знак «минус» перед правой частью выражения для (р означает, что выход­ной сигнал отстает по фазе от входного. При определённых условиях значитель­ный фазовый сдвиг сигнала на выходе ОУ может привести к самовозбуждению усилителя. Для предотвращения этого приходится вводить в усилитель специ­альные цепи частотной коррекции.

Известно, что в области верхних частот даже один транзисторный каскад создаёт частотно-зависимый фазовый сдвиг не менее 180°. При охвате ООС фа­зовый сдвиг петлевого усиления на средних частотах составляет 180". В итоге суммарный сдвиг петлевого усиления на некоторой частоте составляет 360°, что соответствует выполнению баланса фаз - одного из необходимых условий само­возбуждения. Однако на этой частоте коэффициент усиления каскада, а значит, и петлевое усиление очень малы, т.е. заведомо меньше единицы. Следовательно, не выполняется баланс амплитуд, и самовозбуждения не происходит.

ОУ многокаскадный (обычно 3 каскада), и поэтому частотно-зависимый фазовый сдвиг, равный 180° (условие баланса фаз усилителя с ООС), наблюдает­ся на той частоте, где усиление падает ещё не сильно. Значит, на этой частоте возможно петлевое усиление K > 1, и тогда наступает самовозбуждение.

Для предотвращения самовозбуждения последовательно с ОУ (блоком К на рис. 3.3,а) необходимо включить корректирующую RС-цепь, ослабляющую верхние частоты (рис.3.3,б). Верхняя граничная частота цепи вц ⁼ 1/RC берётся во много раз меньше, чем верхняя частота ОУ _В.Оу

Рис 3.3. Схема ОУ (а) с корректирующей RC-цепью (б)

Известно, что коэффициент передачи такой цепи на частотах > вц уменьшается пропорционально частоте, или, как говорят, со скоростью 6 дБ/окт. или 20 дБ/дек (октава - изменение частоты в 2 раза, декада - в 10 раз). Поэтому на частотах порядка _В.Оу коэффициент передачи RС-цепи очень мал и за счёт этого получается К < 1, т.е. не выполняется баланс амплитуд. На более низких частотах (порядка в.ц)не выполняется баланс фаз, ибо фазовый сдвиг такой RC- цепи, как известно, не превышает 90° (по знаку отрицателен), а фазовый сдвиг ОУ в этой области ещё очень мал, так как для него это область средних частот. Следовательно, и в этой области частот самовозбуждение невозможно. Посколь­ку фазовый сдвиг, вносимый RС-цепью, отрицателен, такая коррекция называет­ся запаздывающей.

На практике вместо RС-цепи включают ёмкость С, шунтируя ею на землю какую-либо точку ОУ, через которую проходит сигнал. Тогда в роли R оказыва­ется эквивалентное сопротивление между этой сигнальной точкой и землёй. Чтобы требуемая ёмкость конденсатора С была меньше, её подключают к самой высокоомной сигнальной точке внутри ОУ.

Типично также включение корректирующего конденсатора С между кол­лектором и базой одного из каскадов в ОУ. В соответствии с эффектом Миллера подключение ёмкости Сбк в схеме с ОУ увеличивает входную ёмкость на (1 + К)С_Бк. Эта входная ёмкость и играет роль корректирующей. Такой приём позволяет понизить требуемую ёмкость конденсатора дополнительно в (1 + К) раз. В результате этого она становится настолько малой (десятки пФ), что часто встраивается в ОУ в процессе его изготовления.

Существуют и другие более сложные цепи коррекции частотной характе­ристики ОУ.