Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

3.3.5. Подать на Uвх1 прямоугольный сигнал, Uвх2 закоротить на землю. Зарисовать с соблюдением масштаба по осям координат

входной и выходной (Uвых1,Uвых2,Uвых1-2) сигналы.

3.3.6. Проделать пункты 3.3.2-3.3.5 для ДК2, результаты сравнить с аналогичными для ДК1 на дискретных элементах.

4.Отчет

Вотчете о проделанной работе должны быть краткий конспект по теории дифференциального усилителя, принципиальная и эквивалентная схема. По всем пунктам рабочего задания должны быть приведены соответствующие таблицы и графики. Интерпретация результатов измерений и полученных графиков зависимостей, а также их сравнение с теоретическими представлениями.

5.Контрольные вопросы

5.1.Дайте определение дифференциального усилителя, объясните принцип действия, приведите принципиальную схему простейшего дифференциального каскада.

5.2.Дайте определение синфазного и дифференциального сигнала.

5.3.Приведите выражения, определяющие входное сопротивление для синфазного и дифференциального сигнала по отдельности.

5.4.Приведите выражения, определяющие коэффициенты усиления для синфазного и дифференциального сигнала.

5.5.Объясните, почему в схеме ДК дрейф нуля минимален.

5.6.От чего зависит увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала?

5.7.Что понимается под динамическим диапазоном ДК, в каких пределах должна быть амплитуда входного дифференциального и синфазного сигнала?

5.8.Приведите выражение и кривую ВАХ ДК.

5.9.Какой должна быть АЧХ ДК, сравнить её с экспериментальной кривой.

131

6.Литература

6.1.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь,

1990.-512 с.

6.2.Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от элементов до устройств. М.: Радио и связь, 1993.- 352 с.

6.3.Основы радиоэлектроники. Под ред. Г.Д.Петрухина, МАИ.-

М., 1993.- 416 с.

6.4.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000.- 488 с.

6.5.Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

6.6.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. М.: Лайт ЛТД, 2000.- 415 с.

6.7.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 2000.- 399 с.

132

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

1. Цель работы

Изучение операционного усилителя (ОУ) как наиболее универсального и многофункционального узла радиотехнического устройства. Рассмотрение некоторых примеров использования ОУ.

2. Теоретические сведения

Операционным усилителем называют высококачественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, имеющим большой коэффициент усиления (106 - 107), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления.

Как и в дифференциальном усилителе по отношению к выходу один из входов ОУ является инвертирующим U- и

133

обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ, рис.1а), а другой – неинвертирующим U+.

Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +Un и -Un. При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярным, а нулевым входным сигналом соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу – разности входных Ud =U+-U-. Коэффициент усиления К0 самого ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

Передаточная характеристика ОУ имеет вид, показанный на рис.1б. Здесь по оси абцисс входное напряжение Uвх = U+ - Un откладывается в милливольтах (а то и в микровольтах), а по оси ординат выходное напряжение в вольтах! Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего, знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению К0. При этом на линейном участке Uвых изменяется почти от -Un до + Uт. Горизонтальные участки соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов, поэтому выходное напряжение

Для современных ОУ коэффициент усиления по напряжению лежит в интервале от 105 –106. Поэтому для питающих напряжений, находящихся в диапазоне 10 – 15 В,

134

линейная область передаточной характеристики по входу составляет от 0,1 мB до 10 мкВ, т.е. при линейном режиме работы ОУ входные напряжения U+ и U- практически равны, т.е. дифференциальный сигнал близок к нулю. Кроме того, если один из входов заземлен, то потенциал второго входа (как и первого) будет практически равен нулю. Об этих особенностях входа ОУ (которые упрощают анализ ее работы) будет сказано ниже. Если разность между U+ и U- больше 0,1 мB, то Uвых достигает напряжения источника питания и при дальнейшем увеличении разности входных напряжений, входы теряют свои управляющие свойства – ОУ оказывается в области насыщения. При этом напряжение на выходе не зависит от разности напряжений на входе ОУ. Такое положение недопустимо и для его предотвращения необходимо принимать специальные меры

– вводить отрицательную обратную связь, которая ослабляет усиление и заодно улучшает частотную характеристику ОУ. Поэтому в усилительных устройствах ОУ работают всегда с внешними цепями обратной связи, подключаемыми с выхода на инвертирующий вход ОУ.

Помимо большого коэффициента усиления по напряжению ОУ обладают большим входным и малым выходным сопротивлениями. Большое входное сопротивление достигается за счет выбора соответствующего режима работы транзисторов. Иногда на вход ОУ подключают эмиттерный или истоковый повторители с большими входными сопротивлениями. Если во входном каскаде используются биполярные транзисторы, то их входные токи измеряются микроамперами (значит сопротивления большие), а если используются полевые транзисторы – пикоамперами. В выходном каскаде ОУ всегда применяют отрицательную обратную связь (эмиттерный повторитель), которая позволяет получить достаточно малые выходные сопротивления.

Начальные входные и выходные напряжения ОУ относительно земли равны нулю. Равенство нулю выходных напряжений достигается применением двух источников питания, имеющих относительно земли одинаковые по величине положительные и отрицательные напряжения (6,3; 12,6; 15; 18

В).

135

Современные ОУ выполняются по весьма сложным схемам, анализ которых приводится в специальной литературе. Рассмотрим типичную (относительно простую) схему ОУ, на примере которой можно понять, каким образом разработчики ОУ добиваются требуемых параметров.

2.1.Основные схемы включения ОУ

Взависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

2.1.1.Инвертирующий усилитель

Всхеме инвертирующего усилителя (рис.2а) входное

напряжение Uвх через резистор R1 (которое включает в себя внутреннее сопротивление источника сигнала) подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной

связи R2 охвачен параллельной обратной отрицательной связью по напряжению. Неинвертирующий вход усилительного каскада заземлен.

Рис.2. Инвертирующие схемы на ОУ

136

В таком варианте ОУ выполняет функцию стабильного усиления. Если входное сопротивление самого ОУ существенно превышает значение сопротивлений R1 и R2, то входным током Iвх можно пренебречь и считать I1 = I2. Это равенство можно записать в виде:

U вх U U U вых ,

R1 R2

принимая U- =0 (как отмечалось выше) можно сразу записать

K U вых R2 .

U вх R1

Это выражение является точным лишь для идеального операционного усилителя. Для реального усилителя характерны погрешности. Подставляя

отсюда, проводя простые преобразования, находим:

137

Если коэффициент усиления ОУ К0 достаточно велик, то первым слагаемым в знаменателе (3) можно пренебречь, тогда

Это выражение является фундаментальным для ОУ. При определенных условиях коэффициент усиления схемы зависит только от параметров цепи обратной связи и не зависящие от параметров самого ОУ. Заменяя активные сопротивления R2 и R1 комплексными, можно получить желательные переходные и частотные характеристики, по–прежнему не зависящие от параметров ОУ. При этом выражение (4) действительно только при очень высоком значении внутреннего коэффициента усиления К0 операционного усилителя. Согласно (3) должно выполняться неравенство:

Если желательно иметь К0=100, то коэффициент К0 должен быть больше 103 – 104.

Основной недостаток инвертирующих усилителей состоит в том, что он имеет малое входное сопротивление Rвх =R1, а в усилителях с большим коэффициентом усиления величина R1 обычно небольшая. Действительно, входное сопротивление равно (при U- =0):

Выходное сопротивление ввиду отрицательной обратной связи по напряжению уменьшается в (1+ К0) раз:

138

При R2 = R1 , К = - 1 и схема на рис.2а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор). Кроме того, если ко входу подключить источник тока, то при R1 = 0 входное сопротивление схемы будет равно большому входному

выходное напряжение будет пропорционален расти входному току Uвых =- Iвх R2. Таким образом, схема превратится в преобразователь источника тока в источник напряжения с малым выходным сопротивлением.

2.1.2. Инвертирующий сумматор (суммирующий усилитель)

На рис.2б показан двухвходовой инвертирующий сумматор, суммирующий два различных напряжения. Входные напряжения U1 и U2 через одинаковые резисторы R подаются на инвертирующий вход ОУ. Так как инвертирующий вход имеет потенциал близкий к нулю, то токи Iвх1 и Iвх2 будут определятся только входными напряжениями U1 и U2 и одинаковыми сопротивлениями R и не зависит друг от друга.

I вх1 UR1 , I вх 2 UR2 .

Поскольку инвертирующий вход практически не потребляет ток, то сумма входных токов протекает только через резистор обратной связи R2 и создает не нем падение

напряжения Uвых = - (Iвх1 + Iвх2) R2. Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные

139

Итак, выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.

Если необходимо провести вычитание двух сигналов, то применяют схему, показанную на рис.2в, где одно напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а другое – на неинвертирующий. С помощью резистора Rсв осуществляется

в) Вычитатель

Рис.2. Инвертирующие схемы на ОУ

Для идеализированного ОУ, у которого U+ = U- и входной ток равен нулю, а значит и I1 = - Icв имеем:

при R1 = R2 = R4 = Rcв, Uвых = Uвх2 – Uвх1.

140