5. Порядок выполнения работы

1. Изучить электрическую схему и принцип работы усилительного каскада.

2. Изучить основные характеристики и параметры усилительного каскада.

5.3 Оформить отчет по рекомендуемой форме.

6 Форма отчета

Лабораторная работа №3

Исследование усилительных каскадов

Цель работы:…

Задание:…

Оснащение:…

Выполнение работы

Рисунок 1- Схема замещения усилительного каскада с ОЭ

Таблица 1 Расчет усилительного каскада

Параметр

Расчетная формула

Расчетное значение

Вывод:…

Контрольные вопросы

1. Назовите основные параметры усилителей.

2. Объясните причины нелинейных искажений.

3. Объясните причины возникновения частотных искажений в области низших и высших частот и какими коэффициентами они определяются.

4. Объясните работу усилительного каскада на полевом транзисторе.

5. Объясните, в чем принципиальная особенность каскада на полевом транзисторе от каскада с ОЭ.

6. Объясните влияние сопротивления нагрузки на параметры усилителей.

Тема учебной дисциплины: «Операционные усилители»

Лабораторная работа №4

Тема работы: «Исследование характеристик операционных усилителей»

1. Цель работы:

изучить основные параметры и характеристики операционных усилителей

2. Задание

Изучите характеристики операционных усилителей постоянного и переменного тока.

3. Оснащение

- компьютер;

- калькулятор;

- чертежные принадлежности (линейка, карандаш, стирка).

4. Общие сведения об операционных усилителях

4.1 Основные параметры операционных усилителей

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рисунке 4.1. Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты.

Рисунок 4.1 - Условные обозначения операционных усилителей

Параметры операционного усилителя характеризуют его эксплуатационные возможности. Основными параметрами являются:

1. Коэффициент усиления напряжения без обратной связи  , показывающий, во сколько раз напряжение на выходе превышает напряжение сигнала, поданного на дифференциальный вход. Типовое значение  ;

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осл, показывающий, во сколько раз дифференциальный сигнал сильнее синфазного. Данный параметр определяется свойствами входного дифференциального каскада и составляет  ;

3. Напряжение смещения нуля  , представляющее собой постоянное напряжение определенной полярности, которое необходимо подать на вход при отсутствии входного сигнала для того, чтобы напряжение на выходе стало равным нулю. Наличие отклонения выходного напряжения от нуля обусловлено, хотя и малым, но неизбежным дисбалансом плеч дифференциального каскада. Практически  ;

4. Температурный дрейф напряжения смещения  , характеризует изменение напряжения   при изменении температуры и составляет  ;

5. Входное сопротивление для дифференциального   сигнала. Измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой вход соединен с общим выводом. Величина   лежит в пределах сотен  – кОм единиц МОм;

6. Входное сопротивление для синфазного   сигнала. Измеряется между соединенными вместе входами операционного усилителя и корпусом. Данное сопротивление на несколько порядков больше чем сопротивление для дифференциального сигнала;

7. Выходное сопротивление  . Величина выходного сопротивления для операционного усилителя составляет десятки – сотни Ом.

2. Характеристики операционных усилителей

К характеристикам операционного усилителя постоянного относятся:

1. Конечный коэффициент усиления. У идеального операционного усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи коэффициент усиления бесконечен, в отличии от реального усилителя, у которого он конечен. Типичные значения этого параметра по постоянному току при разомкнутой петле обратной связи находятся в диапазоне от 100000 до миллиона. Поскольку этот коэффициент усиления очень большой, то усиление схемы будет определяться исключительно коэффициентом отрицательной обратной связи (т.е. коэффициент усиления схемы не будет зависеть от коэффициента усиления операционного усилителя при разомкнутой петле обратной связи). Если же коэффициент усиления схемы при замкнутой петле обратной связи требуется очень большой, то для этого коэффициент обратной связи должен быть очень небольшим, поэтому в этом случае операционный усилитель перестанет вести себя идеально;

2. Дифференциальное входное сопротивление. Оно определяется как сопротивление между его двумя входами; синфазное входное сопротивление - это сопротивление между каким-либо из входов и землёй. Операционные усилители со входами на полевых транзисторах часто имеют защитные цепи на своих входах для защиты от превышения входным напряжением некоторого порога, так что в некоторых тестах входное сопротивление таких приборов может оказаться очень низким. Но поскольку эти операционные усилители обычно используются в схемах с глубокой обратной связью, то эти защитные цепи остаются не задействованными. Напряжение смещения и токи утечки, описанные далее, являются гораздо более важными параметрами при проектировании схем с операционными усилителями;

3. Ненулевое выходное сопротивление. Низкое выходное сопротивление является очень важным для низкоомных нагрузок, так как падение напряжения на выходном сопротивлении может быть существенным. Следовательно, выходное сопротивление усилителя ограничивает максимально достижимую выходную мощность. В схемах с отрицательной обратной связью по напряжению выходное сопротивление усилителя уменьшается. Таким образом при применении операционных усилителей в линейных схемах можно получить очень низкое выходное сопротивление. Низкое выходное сопротивление обычно требует высоких токов покоя для выходных каскадов операционного усилителя, что ведёт к увеличению рассеиваемой мощности, так что в маломощных схемах приходится умышленно жертвовать низким выходным сопротивлением;

4. Входной ток. Из-за наличия токов смещения или утечки, небольшой ток (обычно - ≈ 10 наноампер для операционных усилителей с биполярными транзисторами во входных каскадах, десятки пикоампер - для входных каскадов на полевых транзисторах и несколько пикоампер для МОП входных каскадов) попадает на входы. Когда в схеме используются резисторы или источники сигнала с высоким сопротивлением, то незначительный ток может создать довольно большое падение напряжения. Если входные токи совпадают, и сопротивления, подключённые к обоим входам одинаковые, то в этом случае напряжения на входах окажутся одинаковыми. У некоторых операционных усилителей предусмотрены выводы для подключения внешнего подстроечного резистора, которым можно сбалансировать входы и тем самым убрать напряжение и ток смещения. Некоторые операционные усилители могут автоматически компенсировать напряжение смещения;

5. Входное напряжение смещения. Это напряжение, необходимое на входах операционного усилителя, для установки напряжения на выходе равного нулю. В идеальном усилителе отсутствует входное напряжение смещения. Но в реальных операционных усилителях это напряжение присутствует, так как у большинства усилителей на входе имеется неидеальный дифференциальный каскад. Входное напряжение смещения создаёт две проблемы: во-первых, из-за высокого коэффициента усиления по напряжению выход усилителя практически гарантированно перейдёт в состояние насыщения при работе без цепи отрицательной обратной связи, даже если оба входа соединены между собой. Во-вторых, при замкнутой цепи отрицательной обратной связи входное напряжение смещения будет усиливаться вместе с сигналом и это может привести к проблемам для высокоточных усилителей постоянного тока или если входной сигнал очень слабый;

6. Выходной втекающий ток. Выходной втекающий ток - это максимально допустимый втекающий ток для выходного каскада. Некоторые производители указывают зависимость выходного напряжения от втекающего тока на графике, что позволяет получить представление о выходном напряжении при наличии тока из внешнего источника, втекающего в выходной каскад усилителя;

7. Шумы. Даже при отсутствии сигнала на входе усилители хаотически изменяют напряжение на выходе. Это может иметь место из-за тепловых шумов или фликкер-шума, присущих устройству. При использовании в схемах с высоким коэффициентом усиления или с широкой полосой пропускания уровень шума становится очень важным фактором, который следует принимать в расчёт.

Выводы:

1. Операционные усилители в настоящее время находят широкое применение при разработке различных аналоговых и импульсных электронных устройств. Это связано с тем, что введя цепи операционного усилителя различные линейные и нелинейные устройства, можно получить узлы с требуемым алгоритмом преобразования входного сигнала;

2. Поскольку все операции, выполняемые при помощи операционных усилителей, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определённые требования. Эти требования в основном сводятся к тому, чтобы операционный усилитель как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. Это означает, что входное сопротивление должно быть равно бесконечности (следовательно, входной ток равен нулю); выходное сопротивление должно быт равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение; частотный диапазон от постоянного напряжения до очень высокой частоты;

3. В настоящее время операционные усилители выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения.