dsd1-10 / dsd-06=Kruglov+АИС / PDF_VERSION pic / LabRab7_OpAmp_Shishina
.pdfЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Ознакомление с методами реализации операционных усилителей (ОУ) и расчета их параметров.
2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
2.1.Изучить методы построения операционных усилителей.
2.2.Выполнить домашнее задание.
2.3.Выполнить исследовательскую часть работы.
2.4.Оформить отчет и защитить работу.
3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
3.1.Структурная схема операционных усилителей.
Обобщенная структурная схема ОУ показана на рис. 1. ОУ как правило состоит из 3-х каскадов. Первый каскад является дифференциальным усилителем, второй каскад – обычный усилитель и третий каскад – выходной выполняется в виде эмиттерного или истокового повторителя. Коэффициент усиления каждого из двух первых каскадов лежит в пределах от 300 до 1000, а коэффициент усиления повторителя примерно равен 1. Поэтому общий коэффициент усиления составляет 104...108 (70...120дБ) .
Для устойчивой работы ОУ в режиме с обратной связью необходимо свести к минимуму общий фазовый сдвиг ОУ без обратной связи. Поскольку каждый каскад усиления вносит дополнительный фазовый сдвиг, необходимо минимизировать число каскадов усиления при сохранении большого коэффициента усиления всего ОУ.
В настоящее время почти все ОУ имеют только два усилительных каскада, поэтому каждый из них должен иметь большой коэффициент усиления. Исключения составляют ИС ОУ на полевых транзисторах, обладающие высоким входным сопротивлением, которые из-за малой крутизны могут
обеспечить приемлемый общий коэффициент усиления при использовании 3-х каскадов.
Для коррекции фазо-частотных характеристик ОУ второй каскад обычно шунтирован корректирующим конденсатором величина которого специально подбирается исходя из глубины обратной связи и характера нагрузки. Это конденсатор может быть выполненным как внутри так и подключаться извне.
Скор
U2
Au1 |
|
Au2 |
|
Au3 |
|
Uo |
|
|
|
U1
Рис.1. Структурная схема ОУ.
3.2.Электрическая схема ОУ.
Электрическая схема ОУ, исследуемая в настоящей работе, показана на рис. 2. Первый каскад представляет собой дифференциальный усилитель на р-канальной паре транзисторов Т1 и Т2, для смещения которого используется источник тока на транзисторах Т5 и Т6, а нагрузкой этого усилителя является токовое зеркало (Т3 и Т4).
Ток смещения I0 примерно равен величине
I0 Iset (U+-U- - 1B)/Rset.
напряжение затворзатвор-исток Т5 считаем равным примерно 1В, резистор в цепи формирования начального смещения Rset – внешне подключаемый резистор, номинал которого определяется заданной величиной тока.
Второй каскад выполнен на схеме усилителя с общим истоком Т7 с активной нагрузкой в виде источника тока на р-канальном транзисторе Т8.
Коэффициент усиления в ОУ без обратной связи составляет примерно 90 дБ (данные фирмы Motorola). Диапазон величин токов смещения Iset от сотен наноампер до сотен микроампер.
+U
|
|
|
|
|
х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T5 |
|
|
|
T6 |
I0 |
|
|
|
T8 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Вход + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вход - |
|
|
|
T1 |
T |
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
|
|
|
U0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
Cкор |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Iset |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Rset |
|
|
T3 |
|
|
T4 |
|
|
|
T7 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-U
Рис.2 Схема КМДП операционного усилителя.
Коэффициент усиления дифференциального каскада определяется выражением
А1 2gf / g н1 ,
где gf- передаточная проводимость дифференциального каскада;
gf 
k I20 .
gH1- общая проводимость всех элементов, подключенных к выходному узлу дифференциального усилителя:
gH1 G03 G04 .
C учетом разбиения схемы по теореме бисекции величина выходной проводимости транзисторов
G0n,p I0
2 /UAn,p ,
теперь можно записать выражение для коэффициента усиления дифференциального каскада на низкой частоте
Au01 |
|
I0 / UGS Unop |
2 UGS Unop |
|||
(I0 |
2) 1/ An 1 |
/ |
Ap |
|
. |
|
1/UAn 1/UAp |
||||||
|
|
U |
|
U |
|
|
Для тока смещения 40 мкА, напряжений модуляции канала UA примерно 75 В и напряжения UGS примерно 1 В получим величину коэффициента усиления АU01 ≈ 150.
Коэффициент усиления 2-го каскада определяется формулой для схемы с общим истоком
AU02 = gm7
go7 g08 gH .
Здесь в выходном каскаде может присутствовать внешняя нагрузка, на которую работает ОУ. Если нагрузкой является МДП схема, то gH = 0. Теперь можно записать уравнение для расчета коэффициента усиления на низких частотах виорого каскада:
Au02 |
2I0 / UGS Unop |
1 |
UGS Unop |
|||
|
|
|
|
. |
||
I0 UAn I0 UAp |
1 UAn 1 UAp |
|||||
Расчет коэффициента при прежних условиях дает величину Au02 ≈ 150. Общий коэффициент усиления ОУ Au0 = Au01· Au02 = 150*150 = 87 дБ.
Использование активных нагрузок порзволяет получить достатолчно высокие коэффициенты усиления КМДП ОУ даже в двухкаскадных схемах.
Частота единичного усиления в рассматриваемой схеме с учетом введения корректирующей емкости Скор
ωt = 2gf/Ckop,
где gf – передаточная проводимость дифференциального каскада. Частота единичного усиления будет зависеть от величины тока смещения:
T I0 Ckop UGS Unop .
При токе I0 = 50 мкА и величине корректирующей емкости 16 пФ частота единичного усиления составит ωt = 0,8 МГц.
4.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ.
4.1.Домашнее задание.
4.1.1. Изучить методы реализации ОУ на КМДП транзисторах.
4.1.3.Определить номер варианта индивидуального задания и ознакомиться с его содержанием.
4.1.4.При выполнении индивидуальных заданий можно считать, что все однотипные транзисторы имеют одинаковые характеристики.
4.1.5.Варианты индивидуальных заданий.
№ |
Напряжение |
Ток |
Нагрузочная |
варианта |
Источника |
смещения |
емкость |
|
питания |
|
|
|
±UDD(ИП), В |
I0, мА |
Сн, пФ |
1 |
±3,6 |
0,03 |
0,05 |
2 |
±3,3 |
0,04 |
0,1 |
3 |
±3 |
0,05 |
0,2 |
4 |
±3,6 |
0,06 |
0,1 |
5 |
±3,3 |
0,07 |
0,05 |
6 |
±3 |
0,08 |
0,2 |
7 |
±3,6 |
0,09 |
0,3 |
8 |
±3,3 |
0,1 |
0,4 |
9 |
±3 |
0,03 |
0,5 |
10 |
±3,6 |
0,04 |
0,6 |
11 |
±3,3 |
0,05 |
0,7 |
12 |
±3 |
0,06 |
0,8 |
13 |
±3,6 |
0,07 |
0,9 |
14 |
±3,3 |
0,08 |
1 |
15 |
±3 |
0,09 |
0,5 |
16 |
±3,6 |
0,1 |
2 |
17 |
±3,3 |
0,03 |
1,5 |
18 |
±3 |
0,04 |
1 |
19 |
±3,6 |
0,05 |
1,8 |
20 |
±3,3 |
0,06 |
5 |
21 |
±3 |
0,07 |
3 |
22 |
±3,6 |
0,08 |
2 |
23 |
±3,3 |
0,09 |
1 |
24 |
±3 |
0,1 |
3 |
4.1.6. Для схемы ОУ на рис. 2 провести расчет резистора в цепи смещения, коэффициента усиления с учетом параметров моделей транзисторов, определенных в работе №1 и потребляемой мощности.
4.2. Работа в лаборатории.
4.2.1. Для указанного варианта получить следующие характеристики:
-передаточные характеристики по каждому из входов ОУ при втором заземленном входе;
-амплитудно и фазо-частотные характеристики по неинвертирующему выходу.
4.2.2. Подобрать величину корректирующего конденсатора для получения запаса по фазе 450 на частоте единичного усиления.
4.2.4. Изменить величину тока смещения дифференциального каскада и исследовать влияние этого параметра на характеристики ОУ.
4.3. Оформление отчета.
Отчет в тетради должен содержать:
-название работы;
-краткий конспект теоретической части;
-аналитические расчеты;
-распечатки результатов моделирования;
-выводы по работе.