ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12
Исследование операционного усилителя
1. Цель работы
Изучение назначения, принципов построения и применения операционных усилителей (ОУ).
2. Домашнее задание
Изучить раздел «Краткие теоретические сведения». К выполнению работы допускаются студенты, способные пояснить назначение и устройство ОУ, знакомые с его условным обозначением. Подготовить бланк отчета с простейшей схемой включения ОУ с отрицательной обратной связью (ООС), с исследуемой схемой (рис. 2) и с формулой для расчёта его коэффициента усиления. Уметь объяснить, как можно изменить глубину ООС в такой схеме, как при этом изменяются её параметры.
3.Задание
1.Ознакомиться с основными разновидностями ОУ и основными возможностями их применения. Изучить роль обратной связи в схемах с ОУ.
2.По передаточной характеристике исследуемого ОУ определить пределы изменения входного и выходного напряжения, протяженность линейного участка, коэффициент усиления.
3.По амплитудно-частотной характеристике исследуемого ОУ определить его предельную и граничную частоту.
4.Определить основные параметры ОУ при изменённой глубине отрицательной обратной связи.
4.Краткие теоретические сведения
Операционный усилитель (ОУ) – это универсальная интегральная схема (ИС), предназначенная для решения самых разнообразных задач. При использовании ОУ отпадает необходимость в разработке специальных усилителей под каждую конкретную задачу. Благодаря массовому изготовлению и применению себестоимость ОУ очень низкая. Выпускаются различные варианты ОУ – на биполярных и МДП транзисторах, высокочастотные, малошумящие, с низким энергопотреблением и некоторые другие.
36
Своё название ОУ получил благодаря способности выполнять математические операции над аналоговыми сигналами. Точность работы вычислительных устройств на основе ОУ невелика, поэтому они не стали серьёзной альтернативой цифровым вычислительным устройствам. ОУ чаще применяются в аналоговых устройствах в роли усилителей, фильтров, корректоров амплитудных, частотных и фазовых характеристик.
Большой запас параметров ОУ расширяет возможности его применения. Например, коэффициент усиления по напряжению KU может достигать сотен тысяч и миллионов раз. Это позволяет при использовании отрицательной обратной связи (ООС) получить меньшее усиление с выигрышем в стабильности, полосе пропускания, снижении шумов и искажений. Так, согласно формуле Блэка, для усилителя с ООС на рис. 1:
KUоос = KU/(1 + βKU), |
(1) |
где коэффициент обратной связи
β = Uоос/Uвых =R1/(R1+R2) |
(2) |
Рис. 1
Из (1) следует, что если коэффициент усиления самого ОУ KU очень большой, то βKU >> 1 и коэффициент усиления с ООС близок к 1/β. Это означает, что свойства такого усилителя от свойств ОУ практически не зависят. Согласно (2), коэффициент β в такой схеме определяется отношением R2/R1. Благодаря сильной корреляции параметров, отношение сопротивлений резисторов ИС является исключительно стабильной и точной величиной, и эти свойства передаются усилителю с ООС в целом. Применение ООС снижает усиление ОУ в n раз, но во столько же раз
37
расширяется его полоса пропускания, возрастает его стабильность, уменьшаются шумы, искажения и т.п.
Применение в цепи обратной связи ОУ RC-цепей, диодов, а также организация нескольких входов позволяют реализовать такие математические функции, как сложение и вычитание напряжений, их потенцирование и логарифмирование, интегрирование и дифференцирование. С этим и связано происхождение названия «операционный усилитель».
Собственно ОУ (условное обозначение приведено на рис. 1), содержит несколько дифференциальных каскадов, что обеспечивает наличие двух входов и возможность инвертирующего и неинвертирующего включения. Плюсом на условном обозначении помечен неинвертирующий вход, минусом – инвертирующий. На рис. 1 видно, что напряжение обратной связи с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход, что и означает наличие ООС.
4. Описание исследуемой схемы
Полная исследуемая схема приведена на рис. 2. Основное усиление обеспечивается двумя дифференциальными каскадами на биполярных транзисторах. Первый из них, входной, содержит одинаковые транзисторы Q3, Q4 и одинаковые резисторы R19, R1. Второй, более сложный каскад также симметричный – Q1, Q2, R18 – левое плечо, Q6, Q7, R7 – правое. Остальные элементы – вспомогательные и служат, в основном, для обеспечения работы дифференциальных каскадов.
ООС осуществляется через R11, подключенный к выходу ОУ (OUTPUT) и к инвертирующему входу первого каскада – базе Q3 (INPUT). Входной сигнал от источника напряжения V709 также подается на базу Q3.
Остальные элементы схемы носят вспомогательный характер и служат для обеспечения постоянного смещения транзисторов усилительных каскадов (положения рабочей точки), частотной коррекции АЧХ или выполняют функции постоянного источника тока или эмиттерного повторителя на выходе схемы, который позволяет получить малое выходное сопротивление ОУ. Подробнее об этих элементах схемы можно узнать в [5].
38
Рис. 2
Все транзисторы ОУ одинаковые, что существенно облегчает изготовление и улучшает симметрию дифференциальных каскадов. KU такого ОУ без обратной связи достигает 105.
5.Методические указания по выполнению работы
1.Два раза щелкнуть на ярлык UA709 на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема вида рис. 2. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.
2.Получить и зарисовать передаточную (амплитудно-амплитудную) характеристику Uвых = f (Uвх ), для чего в главном меню выбрать Analysis, DC и в появившемся окне – Run. Руководствуясь рис. 3, определить по характеристике пределы изменения выходного напряжения Uвых макс, Uвых
39
мин, входного напряжения Uвх макс, Uвх мин. Рассчитать протяженность линейного участка выходного напряжения
∆Uвых = Uвых макс − Uвых мин. Во всех случаях направлять курсор на интересующую точку. В появляющемся окошке через запятую будут указаны значения входного и выходного напряжения.
Рис. 3
3. Получить и схематически зарисовать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) исследуемого ОУ. Для этого выбрать Analysis, AC, Run. Определить по АЧХ коэффициент усиления на нижних частотах KU , предельную частоту fпр и граничную частоту fгр . Предельной частотой называется такая частота, на которой KU меньше своего максимального значения на 3 дБ, или в 1,4 раза.
Рис. 4
40
Граничной частотой называется такая частота, на которой KU = 1, т.е. 0 дБ. Пример АЧХ исследуемой схемы приведён на рис. 4.
4.Изменить глубину ООС согласно заданному варианту. Значения сопротивления R11, определяющего глубину ООС, приведены в табл. 1. Чтобы изменить R11, на нём двойным кликом вызывается окошко, в которое надо ввести требуемую величину сопротивления в килоомах. Записать в отчет исходное и измененное значения сопротивления обратной связи.
Таблица 1
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R11, k |
10 |
20 |
40 |
70 |
150 |
220 |
330 |
450 |
550 |
650 |
750 |
900 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Действуя, как в п. 3, определить коэффициент усиления на низкой частоте
KU* , предельную частоту fпр* и граничную частоту fгр* при изменённой глубине обратной связи.
6.Содержание отчёта Отчёт должен содержать:
-название, цель работы, исследуемую схему;
-схему включения ОУ с ООС, формулу для расчёта её коэффициента усиления;
-передаточную характеристику ОУ с ООС;
-предельное значение выходного напряжения Uвых макс;
-предельное значение выходного напряжения Uвых мин;
-предельное значение входного напряжения Uвх макс;
-предельное значение входного напряжения Uвх мин;
-протяженность линейного участка выходного напряжения
∆Uвых = Uвых макс − Uвых мин;
-амплитудно-частотную характеристику ОУ с ООС;
-коэффициент усиления на нижних частотах KU ;
-предельную частоту fпр;
-граничную частоту fгр , исходное и измененное значения R11;
-коэффициент усиления на нижних частотах KU*;
-предельную частоту fпр*;
41