ЭиМТ_ЛР7_9502_Камышанова_Изланова_Позняк

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра БТС

ОТЧЕТ по лабораторной работе №7

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» ТЕМА: Исследование операционного усилителя на биполярных транзисторах

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:

вх >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.

2

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.

3

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

4

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

5

Обработка результатов эксперимента:

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

Рис.4 Расчет схемы в режиме Dynamic DC

Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем

Расчет необходимых параметров:

6

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 4 = 9 кОм, 5 = 1 кОм. Тогда коэффициент усиления неинвертирующего включения рассчитывается как:

Также подключаем на выход нагрузочный резистор 6 = 5 кОм.

Рис.5 Схема для проверки коэффициента усиления

Рис.6 Анализ ПП в режиме Transient

7

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:

Рис.7 Операционный усилитель с токовым зеркалом во входном каскаде

Повторяем описанное в пункте 1, но с источником тока вместо токозадающего резистора.Дополнительно проверяем подавление синфазного сигнала (подаём на вход усилителя одинаковые сигналы,

обратную связь при этом убираем).

Рис.8 Расчет схемы в режиме Dynamic DС

8

Подключаем разработанный ОУ по схеме неинвертирующего усилителя

Рис.9 ОУ с токовым зеркалом во входном каскаде, включенный по схеме неинвертирующего усилителя

Рис.10 Анализ ПП в режиме Transient

Далее подадим синфазный сигнал и посмотрим его подавление.

Рис.11 ОУ с отражателем тока во входном каскаде (синфазный сигнал)

9

Рис.12 Анализ ПП в режиме Transient

Вывод: в ходе выполнения данной лабораторной работы мы провели исследование операционного усилителя на биполярных транзисторах.

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)

Собрали в программе Микрокап трехкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем.

10