Операционный усилитель. Исследование транзисторного усилителя мощности (90

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Министерство образования и науки Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова Кафедра радиофизики

К. С. Артемов, Н. Л. Солдатова

Операционный усилитель. Исследование транзисторного усилителя мощности

Методические указания

Рекомендовано Научно-методическим советом университета для студентов, обучающихся по специальностям Радиофизика и электроника,

Радиотехника и по направлению Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Ярославль 2012

1

УДК 621.375.4(072)

ББК З846я73

А 86

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного издания. План 2011 года

Рецензент кафедра радиофизики

Артемов, К. С. Операционный усилитель. Исследование транзистор-

А 86 ного усилителя мощности: методические указания / К. С. Артемов, Н. Л. Солдатова; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. – Ярославль : ЯрГУ, 2012. – 40 с.

Излагаются основы теории операционных и транзисторных усилителей, включены две лабораторные работы и контрольные вопросы для самопроверки.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 011800.65 Радиофизика и электроника, 210300.65 Радиотехника и по направлению 210400.62 Инфокоммуникационные технологии и системы связи. Методические указания в полном объеме могут быть использованы для бакалавров, обучающихся по ФГОС по направлениям 011800.62, 210400.62

и 210300.62

УДК 621.375.4(072)

ББК З846я73

Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, 2012

Учебное издание

Артемов Константин Серафимович, Солдатова Нина Львовна

Операционный усилитель. Исследование транзисторного усилителя мощности

Методические указания

Редактор, корректор М. В. Никулина Верстка И. Н. Иванова

Подписано в печать 16.01.12. Формат 60 84 1/8. Бум. офсетная.

Гарнитура "Times New Roman". Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 2,12.

Тираж 20 экз. Заказ

Оригинал-макет подготовлен в редакционно-издательском отделе Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова.

Отпечатано на ризографе.

Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова. 150000, Ярославль, ул. Советская, 14.

2

Работа № 1 ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Целью работы является изучение принципов построения радиотехнических устройств, основанных на использовании интегральных операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель, совершающий определенную операцию над входным сигналом. Название связано с применением ОУ на их ранней стадии развития в решающих устройствах для выполнения математических операций. Современный ОУ имеет громадное применение во многих областях электроники: усилители, фильтры, генераторы, компараторы, стабилизаторы и т. д. Такое широкое применение стало возможным благодаря микроэлектронике.

Использование ОУ основано на теории, предполагающей идеализацию операционного усилителя. Идеализация позволяет считать, что К0 , Rвх , Rвых 0 . Очевидно, что при К0 построение, например, линейных устройств без цепей отрицательной обратной связи невозможно. С другой стороны, наличие инвертирующего и неинвертирующего входов дает возможность включать ОУ в схемы как инвертирующее устройство, так и устройство без инверсии.

Операционный усилитель (ОУ) является базовым радиотехническим компонентом, обладающим большим усилением (в том числе и усилением постоянной составляющей), дифференциальным построением усилительного тракта, большим входным RВХ и

малым выходным RВЫХ сопротивлениями. Для используемого в лабораторном макете ОУ

Ку 105 , Rвх 107 Ом, Rвых 500 Ом.

Дифференциальный усилитель (ДУ) – это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи К и К

равны по величине и противоположны по знаку. Один из входов ДУ называется неинвертирующим, другой – инвертирующим.

3

Усиление сигнала (рис. 1), поступающего на инвертирующий вход, происходит с изменением (инверсией) полярности.

Во входных сиг алах U ВХ ,U ВХ ДУ различают дифференциальную (разностную) U Д и синфазную (общую) UС составляющие

Для характеристики передаточных свойств Д У вводят следующ ие параметры: К и К – коэффициенты передачи усилите-

ля по неинвертирую щему и инвертирующему входам; КД и КС –

коэф фициенты передачи диф ференциальной и синфазной составляющих сигнала:

чувствителен не только к дифференциальной, но и синфазной составляющей сигнала.

Количественная оценка качества усилителя как дифференциального производится с помощью коэффициента относительного ослабления синфазного сигнала СС КД / КС .

И нтегральный О У является усилителем постоянного тока (УПТ). На работу схемы УПТ могут повлиять источники статиче-

4

ской ошибки, вызывающие отклонения ре жимов работы на постоянном токе от ожидаемых. Такие источники даже при отсутствии входн х сигналов вызывают появление на выходе ОУ постоянного потенциала U ОШ _ ВЫХ . Действие источников статической

ошибки характеризуют с помощью одного эквивалентного генератора ЭДС U ОШ _ ВЫХ , включенного последовательно с неинвертирующ им входом (рис. 2). При номинальных условиях работы ОУ оцен а предельных значений U ОШ _ ВЫХ и U ОШ _ ВХ осуществляется по

формулам

U ОШ ВХ U СМ 0 I ВХ RC I ВХ- RC ; U ОШ _ ВЫХ U ОШ _ ВХ KFОШ ,

где СМ 0 – напряжение U Д , характеризующее возможные предельные отклонения нулевой точки статической амплитудной характеристики ОУ (рис. 3); RС , RС – полные сопротивления на

постоянном токе цепей, подключаемых к неинвертирующему и инвертирующ ему входам; I ВХ , I ВХ – постоянные составляющие

вход ых токов по неинвертирующему и инвертирующему входам; KF ош – коэффициент передачи схемы на постоянном токе

относительно неинвертирующего входа.

Все устройства с ОУ можно разделить на три разновидности.

Кпервой разновидности относятся схемы с глубокими отрицательными обратными связями (ООС). Ко второй – устройства, в которых ОУ используется без обратной связи. К третьей – схемы на О У с положительной обратной связью (ПОС).

5

Всхемах с глубокой ООС требуемые п редаточные свойства устройств на ОУ за аются цепью обратной связи. В некоторых пределах эти свойст а не за исят от параметров са ого оп рационно о усилителя.

Вустройствах с ООС различают три основных способа включения ОУ в схему устройства. Это инвертиру ющее включение (рис. 4а), неинвертирующее включение (рис. 4 ) и комбинированное включение (рис. 4в).

6

дах анализа свойств схем, организуемых на базе операционных усили телей с глубок ми ОО С.

П ри частотно-н зависи ом характере сопроти влений Z1 и

Z F ( Z1 = R1, Z F = RF ) передаточные свойства K F схем, изображенных на рис. 4, не зависят от частоты в широком частотном диапазоне. Такие усилители называются масштабными. В схеме сумматора (рис. 5а)

отсутствует взаимное влияние источников сигнала друг на друга. Схема ди фференциальн го усилителя с КД = R2/R1 изобра-

жена на рис. 5б. Она организована на основе комбинированного включения О У и отличается от последнего наличием дополнительного делителя R 3, R4 в цепи неинвертирующего входа. В случае, когда R4 R1 = R3 R2, К = К и Д У по своим свойствам

7

Для схемы рис. 6а К f ош = 1, а для схемы рис. 6б

К f om = 1 + R 2R5R3 .

двух олюсника Zl (Z f линейный резистор Rf) характер зависимо-

сти U ВЫХ от U ВХ совпадает с точностью до постоянного множителя с п рямой ВАХ НЭ. Эту схему называют схемой рямого нели-

нейн го функционального преобразования. В схемах, где нелинейн ым элементом является двухпо юсник Z f ( Z1 линейн ый ре-

зистор R1), зависимость U ВЫХ от U ВХ совпадает по своему харак-

теру с обратной ВАХ НЭ. Э у схему называют схем ой обратного нели ейного преобразования.

9

Часто в качестве НЭ в устройствах нелинейного функционального преобразования использу ют диоды. В них в условиях прямосмеще ного р-n-перехода относительно больш их значениях

10