all / Работа 10 (Некрасов) / Операционные усилители
.pdf
|
|
Лабораторная работа № 10 |
|
|
|
|
|
||
|
|
Операционные усилители |
|
|
|
|
|
||
Цель работы: изучение рабочих характеристик операционных усилителей, ис- |
|||||||||
следование схемотехники их применения. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока (УПТ), выпол- |
|||||||||
ненный в виде единой интегральной микросхемы и предназначенный для реализации |
|||||||||
различных операций |
над аналоговыми |
величинами[15]. Спецификой ОУ являются |
|||||||
(рис. 10.1) два входа (один из них инвертирующий - инвертирует фазу входного сиг- |
|||||||||
нала) и симметричное напряжение питания. Классическая структура ОУ включает три |
|||||||||
+Uп |
|
|
|
|
каскада (рис. 10.2): |
|
|||
|
|
+Uп |
|
|
|
|
|
|
|
Uвх1 |
|
|
|
· |
СДУ |
– |
симметрич- |
||
|
|
|
|
ный |
дифференциальный |
||||
w¥ |
|
Uвх1 |
|
|
|||||
|
|
|
усилитель; |
|
|
|
|||
|
Uвых |
Uвх2 |
|
Uвых |
|
|
|
||
Uвх2 |
|
· |
НДУ - |
несимметрич- |
|||||
|
|
|
|
||||||
-Uп |
|
|
-Uп |
|
ный |
дифференциальный |
|||
Рис. 10.1 |
|
усилитель; |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
+Un |
|
|
· |
ОК – каскад с ОК. |
|
|||
Uвх1 |
|
|
|
|
Идеальный |
|
ОУ |
должен |
|
СДУ |
НДУ |
ОК |
|
характеризоваться |
|
следующими |
|||
Uвх2 |
|
|
Uвых |
параметрами: |
|
|
|
||
|
-Un |
|
|
|
|
К → ∞; |
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвх → ∞; |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 10.2
вых ® 0.
Поэтому первый каскад СДУ предназначен для создания большого входного сопро-
тивления Rвх всего усилителя. В настоящее время он обычно реализуется на полевых транзисторах.
Каскад НДУ имеет своей целью создание большого коэффициента усиления,
достигающего нескольких сотен тысяч и единиц миллионов.
1
|
Каскад ОК реализует сдвиг постоянного уровня напряжения и обеспечивает |
|||||||||||||
малое выходное сопротивление всей схемы. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Поскольку ОУ является УПТ, то его АЧХ (рис. 10.3) качественно отличается |
|||||||||||||
|
|
К |
|
|
|
|
|
от АЧХ RC-усилителя (см. рис. |
|
|||||
|
Ко |
|
|
|
|
|
|
6.2): на ней отсутствует завал на |
||||||
0.707 Ко |
|
|
|
|
|
|
низких |
частотах. Для |
ОУ |
на |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
АЧХ, кроме fв.гр, обычно |
выде- |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ляют |
еще частоту |
единичного |
||||
|
|
|
|
|
|
fв.гр |
f |
усиления f1, на которой К = 1. |
|
|||||
|
|
|
|
Рис. 10.3 |
|
|
На рис. 10.4 изображена |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
амплитудная |
(передаточная) |
|
||||
характеристика ОУ дляпрямого (неинвертирующего) входа в режиме постоянного |
||||||||||||||
тока. Обычно ±Uвых max |
на 1-2 В |
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|||||
меньше |
|
напряжения |
питания |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
усилителя. Из графика данной |
+Uвых max |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
характеристики видно, что мак- |
DUвых |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
симальная |
амплитуда |
входного |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
сигнала |
для линейного режима |
-Uвх max |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
работы |
усилителя |
ограничива- |
|
|
DUвх |
+Uвх max |
|
|
Uвх |
|||||
ется |
милливольтами |
или |
даже |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
микровольтами, что |
затрудняет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
использование ОУ при больших |
|
-Uвых max |
|
|
|
|
|
|||||||
по значению усиливаемых |
сиг- |
|
Рис. 10.4 |
|
|
|
|
|||||||
налах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Передаточная характеристика позволяет определить коэффициент усиления |
|||||||||||||
как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K = DU вых . |
|
|
|
|
|
(10.1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
DU вх |
|
|
|
|
|
|
|
Оба приращения, естественно, фиксируются на линейном участке характеристики.
Коэффициент усиления ОУ характеризуется нестабильностью, обусловленной колебаниями питающего напряжения, тока нагрузки, температуры окружающей сре-
ды. По этим причинам ОУ, за исключением компараторов, не применяют без цепей
2
внешней ООС, которые стабилизируют коэффициент усиления и позволяют устано-
вить его любое требуемое значение. Различают два варианта использования ООС применительно к ОУ.
Прямое включение. Входное напряжение подается на прямой вход. Цепь обратной связи образована резисторами R1 и R2 (рис. 10.5). Данная ООС является последова-
тельной связью по напряжению. Для неё коэффициент передачи цепи ОС определятся выражением
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(10.2) |
|
|
|
|
|
iвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
b |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
R1 |
|
+ R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх |
|
|
Uу |
|
|
|
Rвх |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Так как Rвх→∞, то iвх→0 и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Uвх=Uy+UR2 (Uос); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Коэффициент |
|
усиления |
собственно |
ОУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
Uoc |
|
|
|
|
|
R2 |
R1 |
|
Uвых |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(без ОС) теперь определяется как K = |
U вых |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
U y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
В свою очередь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 10.5 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
U ос = |
|
|
|
|
|
U вых |
= bU вых . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
R2 + R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Поскольку для всей схемы K oc |
= |
U вых |
, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U вх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
|
|
U oc |
+U y |
= |
|
U |
oc |
+ |
|
U y |
= |
bU |
вых |
+ |
1 |
|
= b + |
1 |
= |
|
bК +1 |
. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
K oc |
|
U вых |
U вых |
|
|
|
|
|
|
|
К |
К |
|
|
|
К |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
U вых |
|
|
U вых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
Тогда K oc = |
|
|
|
K |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
1 + bK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
При глубокой ОС (bК >> 1) Кос @ 1/β, т.е. коэффициент передачи всей схемы
определяется только параметрами цепи ОС и не зависит от параметров прямого кана-
ла. С учётом (10.2)
K oc |
@ |
1 |
= |
R1 + R2 |
= 1 + |
R1 |
, |
|
b |
R2 |
R2 |
||||||
|
|
|
|
|
т.е. ООС позволяет получить любой требуемыйКос простым варьированием двух ре-
зисторов цепи ОС. Таким образом, анализируемая схема инвариантна к коэффициен-
ту передачи собственно ОУ(но коэффициент Кос принципиально не может быть меньше единицы).
3
Рассмотренная ООС, как уже указывалось в предыдущей лабораторной рабо-
те, также оказывает влияние на Rвх и Rвых. А именно (см. рис. 10.5).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвх |
= |
U y |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R |
|
U y +U oc |
U y |
|
U |
oc |
= R |
|
|
bU |
вых |
= R |
|
|
|
|
bKU y |
= R |
+ bKR |
|
= R |
|
|
+ bK ). (10.3) |
||||||
вх.ос |
= |
|
= |
|
+ |
|
|
вх |
+ |
|
вх |
+ |
|
|
вх |
вх |
(1 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
iвх |
|
iвх |
|
|
iвх |
|
|
iвх |
|
|
|
|
|
iвх |
вх |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Аналогично можно доказать, что для данной ООС |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвых.ос |
= |
|
|
Rвых |
. |
|
|
|
|
|
|
(10.4) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ bК |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
На рис. 10.6 представлено инвертирующее включение ОУ с ООС, т.е. входной сигнал подается на инвертирующий вход. Поскольку здесь также Rвх → ∞, то i1 = i2,
Uy » 0 (Uy=Uвых/К) и i1 = Uвх/R1, а i2 = Uвых/R2. Тогда
Uу |
i2 |
K oc |
= |
U вых |
= |
R2 |
. |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
U вх R1 |
|||
|
|
|
|
|
||||
|
|
i1 |
|
|
|
|
|
|
Из данного выражения следу- |
|||
Uвх |
|
R2 |
|
|
||||||||
|
|
|
Uу |
|
|
ет, что коэффициент передачи |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
данной схемы также определя- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|||||
|
|
R1 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ется только номиналами рези- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сторов ОС. При этом Кос может |
|
|
|
|
|
Рис. 10.6 |
|
|
|
|
|
быть как больше единицы, так |
|
и меньше, т.е. данная схема может ослаблять входной сигнал.
В литературе можно встретить запись вида К = - R / R . Таким образом ука-
ос 2 1
зывают на инверсию входного сигнала в данной схеме. |
|
||||
Как следует из рис. 10.6, для инверсного включения |
|
||||
Rвх » R1, |
|
|
|
(10.5) |
|
а выходное сопротивление всей схемы определяется выражением [4] |
|
||||
Rвых.ос = |
|
Rвых |
. |
(10.6) |
|
|
КR1 |
||||
1 + |
|
|
|||
R1 |
+ R2 |
|
|
||
|
|
|
|
||
Кроме перечисленных ранее, к основным параметрам ОУ относятся:
·коэффициент ослабления синфазного сигнала(КОСС). Основная функция ОУ-
усиление дифференциального сигнала, но реальные ОУ характеризуются и реакци-
ей на синфазный сигнал, поэтому коэффициент передачи данного сигнала(когда
4
|
его оба входа соединены) Кс отличен от нуля. КОСС является одной из важнейших |
||||||||||
|
характеристик ОУ и определяется как |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
КОСС = К / Кс. |
|
|
|
|
|
|
Чем больше КОСС, тем выше качество ОУ; |
|
|
|
|
|
||||||
· |
входное напряжение смещения Uвх |
см (рис. 10.7) определяет постоянное входное |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
напряжение, |
которое следует |
подать |
на вход |
||
|
|
Uвых |
|
|
|
ОУ, чтобы выходное напряжение стало рав- |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
ным нулю. |
|
|
|
|
|
|
|
Uвх см |
|
Uвх |
|
Выполнение лабораторной работы |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1. В соответствии с вариантом выбрать из табл. |
||||||
|
|
Рис. 10.7 |
|
|
10.1 тип исследуемого ОУ. |
|
|
|
|||
|
2. |
Подать на усилитель напряжение питания±15 В. Инверсный вход закоро- |
|||||||||
тить на землю. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3. |
Снять передаточную |
характеристику ОУ. Определить по |
ней±Uвых.max, |
|||||||
±Uвх.max, К, Uвх см. Результаты занести в табл. 10.2. |
|
|
|
|
|
||||||
|
4. Подать на ОУ синфазный сигнал с частотой100 Гц и амплитудой1В. |
||||||||||
Снять осциллограмму выходного напряжения. Определить Кс и КОСС. |
|
|
|||||||||
|
5. |
Инверсный |
вход |
ОУ |
закоротить |
на |
землю, а |
на |
прямой |
подать |
|
синусоидальный сигнал с амплитудой, обеспечивающей линейный |
режим |
работы |
|||||||||
ОУ. Для |
компенсации Uвх |
см |
установить у источника синусоидального сигнала |
||||||||
постоянную составляющую, обеспечивающую симметричный переменный сигнал на |
|||||||||||
выходе (см. рис. 10.7). Снять ФЧХ и АЧХ усилителя. По последней характеристике |
|||||||||||
определить К0, fв.гр и f1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6.В соответствии с методикой, изложенной в лабораторной работе №6,
определить Rвых ОУ.
7.Охватить ОУ отрицательной ОС: для четных вариантовна основе прямого, для нечетных - на основе инверсного включения. Задав R1 = 1к, определить требуемое значение R2 для заданного табл. 10.1 коэффициента передачи Кос.
8.Установить амплитуду входного сигнала1 В. Экспериментально прове-
рить правильность установленного Кос.
5
|
|
|
|
Таблица 10.1 |
|
|
|
|
|
|
|
№ п/п |
ОУ |
Кос |
№ п/п |
ОУ |
Кос |
1 |
LF147 |
3 |
21 |
LF411A |
5 |
2 |
LF155 |
7 |
22 |
LF412 |
4 |
3 |
LF155A |
5 |
23 |
LF412A |
8 |
4 |
LF156 |
4 |
24 |
LF441 |
9 |
5 |
LF156A |
8 |
25 |
LF441A |
2 |
6 |
LF157 |
9 |
26 |
LF442 |
0.8 |
7 |
LF157A |
2 |
27 |
LF442A |
2 |
8 |
LF347 |
0.8 |
28 |
LF444 |
6 |
9 |
LF347B |
2 |
29 |
LF444A |
0.5 |
10 |
LF351 |
6 |
30 |
LH0003 |
10 |
11 |
LF353 |
0.5 |
31 |
LH0003C |
0.4 |
12 |
LF355 |
10 |
32 |
LH0021C |
10 |
13 |
LF355A |
0.4 |
33 |
LH0022 |
7 |
14 |
LF356 |
10 |
34 |
LH0024 |
4 |
15 |
LF356A |
0.4 |
35 |
LH0031 |
6 |
16 |
LF357 |
9 |
36 |
LH0041 |
8 |
17 |
LH0021 |
0.3 |
37 |
LH0041C |
0.9 |
18 |
LF357A |
8 |
38 |
LH0042 |
1.2 |
19 |
LF400C |
3 |
39 |
LH0052 |
7 |
20 |
LF411 |
7 |
40 |
LH0061 |
4 |
9. Определить экспериментально |
входное |
сопротивление |
ОУ Rкаквх = |
||
uвх/iвх.
Таблица 10.2
±Uвых.max |
±Uвх.max |
К |
Uвх см |
Кс |
КОСС |
К0 |
fв.гр |
f1 |
Rвх |
Rвых |
Rвх ос |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвых ос |
Расчетные |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвх ос |
Rвых ос |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10. |
На основе экспериментальных данных определить значенияRвх.ос и |
Rвых.ос. |
|
11. |
Рассчитать Rвх ос и Rвых ос на основе выражений (10.3) ¸ (10.6). |
Содержание отчета
1.Схемы экспериментов.
2.Заполненная табл. 10.2.
6
3.АЧХ и ФЧХ ОУ.
4.Осциллограммы входных и выходных величин ОУ.
5.Расчетные выражения
6.Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Чем отличается АЧХ ОУ от аналогичной характеристики других видов усилителей?
2.В чем заключается функция блока НДУ ОУ?
3.Какая ОС увеличивает входное сопротивление ОУ?
4. |
Что означает минус в выражении осК= - R2 / R1? |
5. |
Какой вход ОУ является инвертирующим? |
7