Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання розрахунко-графічної роботи
з курсу
“Аналогові електронні пристрої”
м. Черкаси
Тема 7. Підсилювачі операційні (16 годин)
Призначення, основні показники та вимоги до ОП. Малосигнальні та швидкісні параметри, стійкість ОП.
Типові структури та каскади ОП. Диференціальний, інверсний, неінверсний, неінверсний ОП – повторювач.
Частотна корекція ОП. Суть стійкого підсилення ОП із колом НЗЗ у кожному ДК.
Активний пристрій аналогової обробки на операційному підсилювачі. Загальні відомості. Активний алгебраїчний суматор, активний перетворювач повних опорів, інтегратор/диференціатор, компаратор, логарифматор/анти-логарифматор, помножувач/подільник сигналів. Особливості схемотехніки та застосування.
Література:[ 1, с.192…210; 243…273].
Методичні вказівки. ПідОПприйняторозуміти мікросхему, що являє собою підсилювач постійного струму. На базіОПстворюються пристрої, характеристики яких залежать тільки від властивостей кола ЗЗ. Без ЗЗ вони практично не застосовуються.
ОПпобудованийза схемою прямогопідсиленняз двома входами (прямоготаінверсного) і однимдвухполярнимвиходом. ЗвичайноОПмістить3-4 каскади. Першим каскадомєДК, другим - підсилювач напруги (для одержання більшогопідсилення), потім включається каскад зміщення рівня Uвихвобластьнегативнихзначень іемітернийповторювач.
Живлення ОП організується від двох джерел. Це дозволяє одержати на виході нуль при нульовому диференціальному (різницевому) вхідному сигналі.
Варто запам'ятати:
- при подачі напруги сигналу на вхід, що не інвертує, і заземленомувході, щоінвертує, вихідна напруга змінюється у фазі з вхідною, тобто, Uвих=0 при Uвх=0, а при подачіпостійноїнапруги на вхід, що інвертує, рівень напруги на виході зміщується на величину цієї напруги.
- при подачі напруги сигналу на вхід, що інвертує, і заземленомувході, що неінвертує, фаза вихідної напруги протилежнавхідному (Uвих=0 при Uвх=0), а при подачі постійної напруги на вхід, що не інвертує,рівень напруги на виході зміщується на величину цієї напруги.
Оскільки в режимі підсиленняОПмаєвеликий коефіцієнт підсилення (104…106), то лінійна залежність вихід-вхід зберігається увузькомудіапазоні вхідного сигналу (0,01…0,1 мВ). Якщо вхідний сигнал перевищує цей рівень, тонастаютьобмеження та нелінійні спотворення.
Узагалі ОП завжди застосовують разом із колами зовнішнього ЗЗ. Причина цього не тільки у призначенні ОП, а й у великому їх підсиленні. Навіть незначна асиметрія плечей вхідного ДК або незначна вхідна напруга можуть спричинити зміщення нуля, призвести до насиченості ОП і його нездатності підсилювати сигнали. Другою причиною є розкид параметрів ОП та їх залежність від температури, третьою причиною є основоположний принцип ОП – коефіцієнт підсилення не залежить від параметрів самого підсилювача, а визначається тільки властивостями кола ЗЗ.
Стійке підсилення ОП з колом НЗЗ забезпечує частотна корекція, яка зменшує запізнення фази сигналу в кожному ДК. Суть – створення крутості спаду 20 дБ/дек АЧХ в усьому діапазоні частот при роботі ОП з малим підсиленням.
Для успішного виконання заданих функцій ОП повинен мати ідеальні параметри: а) рівний нескінченності коефіцієнт підсилення при розімкнутому зовнішньому колі ЗЗ; б) рівний нескінченності різницевий вхідний опір.
Ці пристрої змінюють первинні електричні параметри аналогових сигналів до потрібних за їх видом (струм/напруга/потужність), рівнем, частотою, спектром, формою. Розрізняють лінійні та нелінійні пристрої залежно від призначення, рівня сигналу, довжини робочої ділянки ВАХ. Лінійні пристрої підсилюють і фільтрують сигнали, до них можна застосувати принцип суперпозиції, а нелінійні перетворюють спектр носія повідомлень (детектори, перетворювачі частоти).
Вирішальний підсилювач - активний пристрій оброблення на ОП, що виконує функції підсилення та перетворення сигналу з високою точністю при мінімальній складності схеми. Він містить ОП з колами зовнішньому ЗЗ.
Необхідно ознайомиться з методикою побудови схем та визначення основних параметрів аналогових пристроїв. Далі треба розглянути базові схеми ОП як активні елементи з колами зовнішнім НЗЗ: інверсний, неінверсний, повторювальний, диференційний ОП, а також перетворювач струму на напругу.
Контрольні запитання
1. Що означає термін ідеальний операційний підсилювач?
2. Які параметри описують властивості ОП?
3. Чому ОП застосовують разом із колами зовнішнього ЗЗ?
4. Навести схеми основних видів ОП.
5. Яку перевагу має ОП, у якому вжита внутрішня корекція, якщо спад АЧХ дорівнює 20 дБ/дек?
6. Чому штучне створення крутості спаду АЧХ ОП дорівнює 6 дБ/окт?
7. Навести методи частотної корекції.
8. Як впливає зріст підсилення при збільшенні опору зовнішнього ЗЗ на смугу пропускання?
9. Як впливають елементи зовнішньої корекції на смугу пропускання ОП?
Закінчивши вивчення цього розділу та відповівши на контрольні запитання, студент повинен вміти:
1. Перелічити основні частини ОП та описати їх пристрой.
2. Дати визначення параметрів: Rвх, Rвих, К, Uзсуву, Iзсуву, КОСС.
3. Розрахувати параметри елементів кола ЗЗ для заданого коефіцієнту підсилення.
4. Нарисувати по пам’яті схеми повторювачів напруги, неінвертуючого та інвертуючого підсилювачів, схеми складання з масштабними коефіцієнтами, інтегратора та диференціатора, логарифмічного та антилогарифмічного підсилювачів, пристрою стиснення сигналів.
5. Вказати дві причини залежності властивостей ОП від частоти, нарисувати діаграму Боде трьохкаскадного підсилювача з зв'язком за постійним струмом, коли заданими є К і частота зрізу кожного підсилювача.
6. Вказати причини самозбудження ОП та способи корекції ЧХ.
7. Виконати лабораторну роботу “Дослідження аналогових пристроїв обробки сигналів на операційних підсилювачах”. Мета: студент повинен розрахувати та зібрати схеми на ОП, розрахувати та виміряти коефіцієнт підсилення каскадів без ЗЗ та з ЗЗ, компенсувати напругу зсуву, перевірити постійність добутку підсилення на смуту пропускання, виявити самозбудження не скомпенсованого підсилювача та організувати частотну корекцію, обміркувати та розглянути всі можливі причини будь яких невідповідностей між виміряними та розрахованими даними.