Лабораторна робота №8 Дослідження перетворювачів аналогових сигналів на операційних підсилювачах за допомогою програми схемотехнічного моделювання ElectroNic workbench 5.12

Мета лабораторної роботи: метою лабораторної роботи є моделювання та експериментальне дослідження базових схем включення операційних підсилювачів за допомогою програми схемотехнічного моделювання EWB

План виконання лабораторної роботи

8.1 Короткі теоретичні положення

8.2 Підготовка до лабораторної роботи

8.3 Послідовність розрахунку параметрів схеми

8.4 Робоче завдання

8.1 Короткі теоретичні положення

Серед перетворювачів аналогових сигналів найчастіше використовуються підсилювачі напруги, тобто перетворювачі напруги в напругу. Для спрощення аналізу різних типів підсилювачів напруги на основі операційних підсилювачів (ОП) доцільно використовувати ідеалізовану модель ОП, а саме:

- коефіцієнт підсилення диференціальної напруги ;

- вхідний опір для диференціальної напруги .

Наслідком прийняття наведених вище умов є наступне:

• різниця потенціалів між інвертуючим та неінвертуючим входами ОП, тобто ;

• вхідні струми інвертуючого та неінвертуючого входів ОП .

На рис.8.1 наведено схему підсилювача напруги на ОП, яка отримала назву «неінвертуючий підсилювач».

Такий підсилювач є варіантом підсилювача з послідовним негативним зворотним зв’язком за напругою, коефіцієнт підсилення якого визначається формулою:

. (8.1)

Рисунок 8.1 – Схема неінвертуючого підсилювача на основі ОП

У випадку, коли виконується умова R1=∞, R2=0 схема на рис.8.1 являє собою неінвертуючий повторювач напруги.

На рис.8.2 наведено схему підсилювача напруги на ОП, яка отримала назву «інвертуючий підсилювач».

Рисунок 8.2 – Схема інвертуючого підсилювача на основі ОП

Такий підсилювач є варіантом підсилювача з паралельним негативним зворотним зв’язком за напругою, коефіцієнт підсилення якого визначається формулою:

. (8.2)

Знак «-» підкреслює той факт, що такий підсилювач є інвертуючим.

У випадку, коли виконується умова , схема на рис.8.2 являє собою інвертуючий повторювач напруги.

Для визначення впливу зворотного зв’язку на вхідні та вихідні параметри наведених вище схем треба згадати властивості схем із зворотним зв’язком (див. теоретичну частину лабораторної роботи №6).

Реальні ОП

На відміну від ідеального ОП, реальні ОП мають:

• коефіцієнт підсилення K₀ від 10³ до 10⁶;

• вхідні струми від 10^-5 до 10^-9 А для ОП із вхідними диференційними каскадами на біполярних транзисторах, та від 10^-9 до 10^-13 А для ОП із вхідними диференційними каскадами на польових транзисторах; Наявність вхідних струмів та їх температурний дрейф обмежує максимальне значення опорів зворотного зв’язку та вхідних опорів, падіння напруги на яких від протікання вхідних струмів приводить до появи суттєвої додаткової напруги зміщення U_зм та її нестабільності;

• напругу зміщення U_зм (це напруга, яку треба прикласти до входу ОП, щоб його вихідна напруга дорівнювала нулю) від 5 мВ до 0,1 мкВ (в залежності від неідентичності пари транзисторів вхідного диференційного каскаду ОП) – від цього також на пряму залежить температурний дрейф U_зм який коливається від 100 мкВ/°С до 0,02мкВ/°С та часовий дрейф U_зм. Напруга зміщення дуже важливий параметр, він обмежує точність ОУ, наприклад, при порівнянні двох напруг. Унаслідок наявності вхідної напруги зміщення і вхідних струмів зміщення схеми ОП доводиться доповнювати елементами, призначеними для початкового їх балансування. Балансування здійснюється подачею на один з входів ОУ деякої додаткової напруги і введення резисторів в його вхідні ланцюги для для коменсації впливу вхідних струмів на U_зм..

• Компенсація впливу вхідних струмів на U_зм досягається тоді, коли еквівалентний опір резисторів, підключених до одного входу ОП буде дорівнювати еквівалентному опору резисторів, підключених до другого входу ОП. Наприклад, в схемі рис. 8.2 потрібно між неінвертуючим входом та загальним проводом включити резистор з опором R3:

(8.3)

Наведені вище деякі параметри реальних ОП примушують враховувати їх при розрахунках схем на ОП та орієнтуватись в основних параметрах ОП при виборі потрібного ОП. Наведемо основні параметри.

основні параметри операційних підсилювачів:

Параметри на постійному струмі

1. розглянуті вище (K₀, , U_з )

2. підсилення синфазного сигналу. Ідеальний ОУ підсилює тільки різницю вхідної напруги, сама ж напруга значення не має. У реальних ОУ значення вхідної синфазної напруги надає деякий вплив на вихідну напругу. Даний ефект визначається параметром коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (КОСС англ. common-mode rejection ratio, CMRR), який показує, в скільки разів приріст напруги на виході менший, ніж приріст синфазної напруги, що викликав його, на вході ОУ. Типові значення: 10³ - 10⁵ (60-90 дБ).

3. Максимальною диференціальною вхідною напругою та максимальною синфазною вхідною напругою лімітується напруга, що подається між входами ОУ в схемі, для виключення пошкодження транзисторів диференційного каскаду.Для захисту між входами ОУ включаються зустрічно – паралельно два діоди і стабілітрони

4. Вихідний струм І_вих — максимальне значення вихідного струму ОП, при якому гарантується прачездатність ОП. Це значення визначає мінімальний опір навантаження

5. Максимальна вихідна напруга U_{вих макс}—масимальне значення вихідної напруги, при якій нелінійні спотворення не перевищують заданого значення. У вітчизняній практиці цей параметр вимірюється відносно нульового потенціалу як в позитивну, так і в негативну сторону ±U_{вих макс} при певному значенні опору навантаження. Зменшення опору навантаження викликає зменшення ±U_{вих макс}

6. Коефіцієнт ослаблення пульсації по ланцюгах живлення (дБ) або коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення мкВ/В

Параметри на змінному струмі

7. ; Частота одничного підсилення f₁ — значення частоти вхідного сигналу, при якому значення коефіцієнту підсилення напруги ОП зменшується до одиниці. Цей параметр визначає максимальну смугу реалізації підсилення ОП

На низьких частотах коефіцієнт підсилення без зворотного зв’язку дуже великий. АЧХ має спадаючий характер в області високої частоти, починаючи від частоти зрізу f_зр

8. Максимальна швидкість наростання вихідного сигналу v_Uвих — відно-шення зміни U_вих від 10 до 90% від свого номінального значення до часу, за який відбулася ця зміна. Параметр характеризує швидкість відгуку ОП у В/мкс на ступінчату зміну сигналу на вході, ; при вимірюванні ОП охоплений негативним зворотним зв’язком із коефіцієнтом підсилення від 1 до 10; типові значення 1÷100 В/мкс.

Неінвертуюча схема включення ОП широко використовується як суматор аналогових сигналів (напруг). На рис.8.3 наведено схему, за допомогою якої здійснюється операція алгебраїчного додавання напруг . Вихідна напруга такого підсилювача визначається формулою:

. (8.4)

У випадку, коли виконується умова , схема на рис.8.2 являє собою інвертуючий суматор напруг, оскільки вихідна напруга такого підсилювача визначається формулою .

Рисунок 8.3 – Схема суматора двох напруг на основі ОП

На рис.8.4 наведено схему диференційного підсилювача, за допомогою якої здійснюється операція алгебраїчного віднімання напруг . Вихідна напруга такого підсилювача визначається формулою:

, (8.5)

де .

Рисунок 8.4 – Схема диференційного підсилювача на основі ОП

Якщо в такій схемі виконуються умови = - схема забезпечує виконання операції віднімання двох напруг, оскільки

Більш досконалою схемою диференційного підсилювача (прецизійного підсилювача) на основі ОП є схема на трьох ОП, яку наведено на рис.8.5. Цю схему називають вимірювальним підсилювачем або інстументальним за її високі метрологічні параметри.

Рисунок 8.5 – Схема диференційного підсилювача на основі трьох ОП

Зазвичай в такій схемі забезпечують виконання умов: , . В цьому випадку вихідна напруга підсилювача визначається формулою:

, (8.6)

де .

Коефіцієнт підсилення регулюється резистором R2.