Лабораторная работа №5

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: Исследование операционного усилителя на биполярных транзисторах.

Студентки гр. 1502 _____________________ Ибатуллина А. А.

_____________________ Титова В. Д.

Преподаватель _____________________ Корнеева И. П.

Санкт-Петербург

2023 г.

Цель работы: изучение принципов работы и сборка операционного усилителя на биполярных транзисторах.

Приборы и материалы: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS, резисторы, транзисторы.

Основные теоретические положения:

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных

микросхем. Типичные параметры интегрального ОУ, следующие: R_n>500 кОм,

коэффициент усиления напряжения К_U = 10⁴-10⁶.

Типовая структура ОУ показана на рис. 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.

Рис. 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 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.

Простейший трехкаскадный ОУ

Схема простейшего операционного усилителя показана на рис. 2. 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.

Рис. 2 - Трёхкаскадный ОУ.

Второй каскад реализован на PNP транзисторе Qз, 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.

Конденсатор С создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь во втором каскаде. Частотная коррекция необходима для того, чтобы устранить автоколебания, которые могут возникнуть при подключении внешних цепей обратной связи.

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.

Рис. 3 - Трехкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем.

Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде

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 Q₅, Q₆. Такая схема обеспечивает значительно большее ослабление синфазного сигнала.

Рис. 4 - Трёхкаскадный ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом.

Обработка результатов.

I). Исследование трехкаскадного ОУ с эмиттерным повторителем.

• Произведем теоретические расчеты номиналов компонентов.

E_К=E_пит=15 В.

E_Э= –15 В.

U_БЭ=0,6 В.

I₀ = 1 мА, I_К3=3 мА.

R₀= = = 14,4 кОм.

I_К1=I_К2= = = 500 мкА.

I_E1= => R₁= = = 1,2 кОм (при моделировании в среде MicroCap R₁=1,5 кОм).

U_К1= E_К1–R₁* I_К1=15-1200*500*10^-6=14,4 В.

I_Э3= I_К3= => R₃= = = 5 кОм.

U_К3= –E_Э+R₃* I_К3= –15-5000*3*10^-3=0 В.

U_OUT = U_К3+0,6=0,6 В.

k_у=1+ =10 => R₇=9 кОм, R₆=1 кОм.

Рис. 5 – Результат анализа трехкаскадного ОУ с эмиттерным повторителем по постоянному току.

Теперь подаем на неинвертирующий вход сигнал с генератора (синусоида 50 Гц, 0,5 В – амплитуда), на инверитрующем входе создаем обратную связь. Подключаем на выход нагрузочный резистор 5 кОм.

Проведем анализ переходных процессов и проверим коэффициент усиления по напряжению (должен составлять примерно 10).

Рис. 6 - Результат анализа трехкаскадного ОУ с эмиттерным повторителем по постоянному току с подключенным ГСС.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению оказался равным примерно 10.

Рис. 7 – Анализ схемы во временной области.

При практическом моделировании схемы на установке NI ELVIS были сняты следующие показания: R₀=14,5 кОм, R₁=1,8 кОм, R₃=4,7 кОм, R₄=4,7 кОм, R₅=4,7 кОм, R₆=1,1 кОм, R₇=9 кОм. Коэффициент усиления при этом оказался равным примерно 13.

Рис. 8 – Практический анализ схемы во временной области.

II). Исследование ОУ с отражателем тока во входном сигнале.

Рис. 9 – Анализ схемы ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом по постоянному току.

Далее подключаем ГСС и проводим анализ во временной области.

Рис. 10 – Схема ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с подключенным ГСС.

Рис. 11 – Анализ схемы ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с подключенным ГСС во временной области.

Как видно из графиков, коэффициент усиления составил примерно 10.

Далее подключаем второй ГСС и также проводим анализ схемы во временной области.

Рис. 12 – Схема ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с двумя подключенными ГСС.

Рис. 13 – Анализ схемы ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с двумя подключенными ГСС во временной области.

Как видно из графиков, k_синф=0,0015.

Таким образом, k_ОСС= k_у/ k_синф=10/0,0015=6667. То есть коэффициент ослабления синфазного сигнала составляет примерно 6667.

При практическом моделировании схемы на установке NI ELVIS были получены следующие показания: R₀=14,5 кОм, R₁=1,8 кОм, R₃=4,7 кОм, R₄=4,7 кОм, R₅=4,7 кОм, R₆=1,1 кОм, R₇=9 кОм. Коэффициент усиления при этом оказался равным примерно 9, k_синф=0,0013.

Рис. 14 – Практический анализ схемы ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с подключенным ГСС во временной области.

Рис. 15 – Практический анализ схемы ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом с двумя подключенными ГСС во временной области.

Таким образом, k_ОСС= k_у/ k_синф=9/0,0013=6923.

Вывод. В ходе выполнения лабораторной работы были исследованы принципы работы и произведена сборка операционного усилителя на биполярных транзисторах.

Сначала была собрана схема ОУ с выходным эмиттерным повторителем, а также был произведен ее анализ во временной области с подключенным ГСС. Теоретический коэффициент усиления по напряжению составил примерно 10, на практике было получено сопоставимое с теорией значение – 13. Также были выделены следующие преимущества данной схемы: стабильная работа(все транзисторы находятся в активном режиме), низкий уровень шума (сигнал проходит фильтрацию через дифференциальный усилитель), контролируемая постоянная составляющая выходного напряжения (ее обеспечивает второй каскад), высокий выходной ток, что обеспечивает усиление мощности выходного сигнала (за счет эмиттерного повторителя).

Также была собрана схема трехкаскадного ОУ с выходным эмиттерным повторителем и токовым зеркалом и был произведен ее анализ во временной области (с одним и двумя ГСС). Теоретический коэффициент усиления по напряжению составил примерно 10, на практике было получено сопоставимое с теорией значение – 9. В теории коэффициент ослабления синфазного сигнала оказался равным 6667. При практическом моделировании было получено значение в 6923, что также вполне сопоставимо с теорией. Вдобавок были выделены следующие свойства: данная схема улучшает входной каскад, получив большую величину k_ОСС за счет отражателя тока, который позволит R₀ не отвечать за режим транзисторов Q₁ и Q₂ по постоянному току. Получить более стабильные выходные сигналы и позволяет увеличенное входное сопротивление, полученное за счет конструкции отражателя тока в виде зеркала.