Лабораторная работа №5 Исследование функциональных устройств на базе операционных усилителей

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1Операционный усилитель (ОУ)– это многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителяK_U,R_вх,R_вых0,f. ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним – усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 1. Выходное напряжение связано с входным напряжениемUвх₁иUвх₂соотношением: где К_U0– коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем.

1.2 Операционный усилитель характеризуют следующие параметры:

• коэффициент усиления по напряжению

обычно ^;

• амплитудно-частотная характеристика:

• частота единичного усиленияf_ед– это частота, на которой коэффициент усиления К_U0=1;

• входное сопротивление R_вх. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы;

• выходное сопротивление R_выхобычно составляет сотни Ом;

• разность входных токов. Входные токи могут отличаться друг от друга на (10-20)%;

• входные токиI_вх(-)иI_вх(+)- это токи, протекающие по входным шинам;

• выходной токI_вых- максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность;

• скорость нарастания выходного сигналаV– характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах за микросекунду;

• напряжение смещенияUсм. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно “0”. ОбычноUсм бывает от единиц микровольт до десятков милливольт;

• мощность(или ток) потребления;

• дрейф напряжения смещенияU_СМ/градус;

• дрейф разности входных токовI_ВХ/градус;

• коэффициент подавления синфазных помех.

Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно допустимых основных эксплуатационных параметров.

1.3 Применение и классификация ОУ. Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Это стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Un, -Un). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В…±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются пассивные внешние элементы, в качестве которых используются резисторы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.

В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:

Универсальные (или ОУ общего применения) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения Uсм – единицы милливольт, температурный дрейфUсм/T – десятки микровольт/⁰С, коэффициент усиления Kv₀– десятки тысяч, скорость нарастания Vu_вых – от десятых долей до единиц вольт за микросекунду).

Прецизионные (высокоточные)операционные усилители используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения Uсм 250 мкв; температурный дрейфUсм/T 5 мкв/⁰C; коэффициент усиления Кv₀ ≥ 200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции – демодуляции. Например, ОУ К140УД21, К140У24 и др.

Мощные и высоковольтные ОУ– усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной токIвых ≥ 100 мА, выходное напряжение Uвых ≥ 15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие ОУиспользуются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиленияf_ед. Для таких ОУ обычно:V≥ 50 В/мкс,t_уст ≤ 1мкс,f_ед ≥ 1 МГц.

Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.

Микромощные ОУотличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УД3.

Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегаОм, а входной ток Jвх не превышает 100 нА. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Для получения малого значения входного тока могут использоваться так называемые супер-бета транзисторы, у которых коэффициент усиления по току превышает 5000.

Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем. Ниже приведены основные функциональные схемы, выполненные на базе ОУ.

1.4 Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ. Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи, в качестве которых используются резисторы, емкости, индуктивности, полупроводниковые приборы и т.д. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и т.д.

1.4.1 Повторитель напряжения(рис. 2) представляет собой усилитель, охваченный 100% ООС по выходному напряжениюB_ос=1. Для повторителя U_вых=U_вх.

;

;

,

где K_U0 – коэффициент усиления без ООС; R_вх0– входное сопротивление ОУ без ООС.

1.4.2 Масштабный неинвертирующий усилитель (рис. 3).