Разработка простейшего операционного усилителя на дискретных транзисторах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра биотехнических систем

отчет

по лабораторной работе №5

по дисциплине «ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»

Тема: Разработка простейшего операционного усилителя на дискретных транзисторах

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Преподаватель		Анисимов А. А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы: изучение простейшей модели операционного усилителя, реализованного на дискретных биполярных транзисторах.

Используемое оборудование: работа выполняется в виде компьютерной симуляции с использованием САПР Микрокап.

Основные теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных микросхем. Они содержат большое число элементов (транзисторов и диодов), но по размерам и стоимости близки к отдельным транзисторам. Типичные параметры интегрального ОУ, следующие:

• >500 кОм;

• коэффициент усиления напряжения КУ = 10⁴–10⁶.

Благодаря совершенным характеристикам операционных усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и нелинейных устройств. Вследствие своей надежности и универсальности операционный усилитель стал самым массовым элементом аналоговой схемотехники.

Типовая структура ОУ показана на рисунке 1. Как правило, в ОУ используются расщепленные источники питания (напряжение питания составляет обычно от ±2В до ±18В). За счет использования расщепленных источников выходное напряжение может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Рисунок 1 – Структурная схема стандартного ОУ

Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель. Его основное назначение – предварительное усиление дифференциального сигнала и ослабление синфазной составляющей. Наличие дифференциального входа позволяет легко включать внешние цепи обратной связи. Коэффициент усиления входного каскада обычно не превышает нескольких десятков раз.

Второй каскад реализуется на основе схемы с общим эмиттером. Он обеспечивает основную долю коэффициента усиления напряжения (в интегральном операционном усилителе таких промежуточных каскадов может быть несколько, для обеспечения необходимого коэффициента усиления).

Третий, выходной каскад – повторитель напряжения. Его назначение – усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление повторителя напряжения делается низким и обычно не превышает нескольких сотен Ом.

В интегральных усилителях для смещения рабочих точек транзисторов используют источники тока. Такие источники реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большее внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала. Один отражатель тока может формировать токи смещения нескольких каскадов усиления.

В ходе лабораторной работы будут смоделированы схемы простейших операционных усилителей на биполярных транзисторах, которые характеризуют основные особенности схемотехники интегральных ОУ.

Простейший трехкаскадный ОУ

Схема простейшего операционного усилителя показана на рис. 2.

Рисунок 2 – Трёхкаскадный ОУ

Первым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах Q1 и Q2. Он обеспечивает предварительное усиление дифференциальной составляющей и одновременно подавление синфазной составляющей входного сигнала. Режим транзисторов по постоянному току определяется напряжением питания и величиной резистора R₀.

Второй каскад реализован на PNP транзисторе Q3, включенном по схеме с общим эмиттером. Использование транзистора PNP типа во втором каскаде обеспечивает сдвиг уровня постоянного напряжения на выходе усилителя. Это необходимо для того, чтобы уменьшить постоянную составляющую выходного напряжения до минимального значения. За счет этого переменная составляющая выходного напряжения может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Коэффициент усиления напряжения двухкаскадной схемы на рис. 2 может достигать нескольких тысяч. Однако коэффициент усиления тока невелик. Следовательно, мал и коэффициент усиления мощности. К тому же усилитель имеет значительное выходное сопротивление, достигающее нескольких кОм.

Эти недостатки можно устранить, включив на выходе эмиттерный повторитель (рис. 3). Он обеспечивает усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление такой схемы составляет всего несколько десятков Ом.

Рисунок 3 – Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем

Расчёт постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ

Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент усиления по току достаточно велик, так что для всех транзисторов коллекторный ток принимаем равным эмиттерному (= ). Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому = 0,6.

1. Рассчитываем сопротивление резистора R₂, обеспечивающего заданные значения токов покоя транзисторов Q1 и Q2.

2. Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов Q1 и Q2 практически равны:

3. Напряжения коллектора Q1 равно:

В свою очередь, напряжение на резисторе R₁ шунтируется переходом база-эмиттер транзистора Q3, поэтому

Однако, на практике берут значение немного выше расчетных, положим, что

4. Ток эмиттера транзистора Q3 практически равен его коллекторному току:

Т.к. , а возьмем равным 3,3 кОм

5. Напряжение коллектора VT3

6. Выходное напряжение

Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде

В интегральных усилителях цепи смещения транзисторов реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большое внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала.

ОУ, изображенный на рис.4 имеет структуру, аналогичную структуре трехкаскадного усилителя на рис. 3. Отличие заключается в том, что цепью смещения дифференциального каскада является отражатель тока на транзисторах VT5, VT6. Такая схема обеспечивает значительно большее ослабление синфазного сигнала.

Рисунок 4 – Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом

Требуемое значение тока смещения I₀ задается резистором R₀. Его величина рассчитывается по формуле:

Остальные токи и напряжения рассчитываются так же, как и в предыдущем случае.

Ход работы:

Начальные условия:

• Транзисторы 2N3904 (NPN) и 2N3906 (PNP);

• общий ток для входного дифференциального усилителя 1 мА (по 500 мкА на транзистор);

• ток покоя транзистора Q3 равен 3 мА.

1. Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем

Рисунок 5 – Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем

Расчет необходимых параметров:

1)

2)

3) (на практике берем чуть больше, поэтому установлю )

4)

5)

Рисунок 6 – Расчет схемы в режиме Dynamic DC

Затем подаём на неинвертирующий вход сигнал с генератора (синусоида 50 Гц, 0,5 В амплитуда), на инвертирующий вход делаем обратную связь и задаём коэффициент усиления примерно 10 раз. Для этого подключаем дополнительно резисторы . Тогда коэффициент усиления неинвертирующего включения рассчитывается как:

Также подключаем на выход нагрузочный резистор .

Рисунок 7 – Схема для проверки коэффициента усиления

Рисунок 8 – Анализ ПП в режиме Transient

2. Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде

Вместо токозадающего резистора используем классическое токовое зеркало и рассчитаем номинал необходимого нагрузочного резистора R₂.

Расчет необходимых параметров:

Повторяем описанное в пункте 1, но с источником тока вместо токозадающего резистора (рис. 4). Дополнительно проверяем подавление синфазного сигнала (подаём на вход усилителя одинаковые сигналы, обратную связь при этом убираем).

Рисунок 9 – Операционный усилитель с токовым зеркалом во входном каскаде

Рисунок 10 – Расчет схемы в режиме Dynamic DC

Подключаем разработанный ОУ по схеме неинвертирующего усилителя (рис.11)

Рисунок 11 – ОУ с токовым зеркалом во входном каскаде, включенный по схеме неинвертирующего усилителя

Рисунок 12 – Анализ ПП в режиме Transient

Из рисунка 12 видно, что сигнал не инвертируется, а коэффициент остался прежним .

Далее подадим синфазный сигнал и посмотрим его подавление.

Рисунок 13 – ОУ с отражателем тока во входном каскаде (синфазный сигнал)

Рисунок 14 – Анализ ПП в режиме Transient

Из рисунка 14 видно, что то есть сигнал ослабляется.

Выводы

Операционный усилитель – это усилитель напряжения, который должен иметь большой коэффициент усиления и высокое входное напряжение. В ходе лабораторной работы был смоделирован трехкаскадный ОУ, состоящий из следующих основных элементов: входной каскад, ДУ, обеспечивает усиление дифференциального сигнала и ослабление синфазной составляющей; второй каскад, схема с ОЭ, обеспечивает основную долю коэффициента усиления напряжения; третий, выходной каскад, эмиттерный повторитель напряжения, нужен для усиления мощности выходного сигнала (за счет высокого усиления по току)

Трехкаскадный ОУ, простейшая схема операционного усилителя, хоть и имеет недостатки по сравнению со схемами, имеющими в своем составе многим, большее число каскадов, реализует основные функции операционного усилителя. В этом мы убедились, добившись усиления синусоиды в 10 раз в схеме с ООС. Кроме того, мы попробовали улучшить ОУ, заменив токозадающий резистор генератором постоянного тока (токовым зеркалом). Это позволяет улучшить работу усилителя при широком изменении входных синфазных напряжений при неинвертирующем включении. В этом мы убедились, получив то же усиление дифференциального сигнала (в 10 раз), а также проверив ослабление синфазной помехи.