МУлаб.рабФУиУМЭ

ступающим на вход, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала Kсф должен быть очень малым.

5. Усилители должны иметь высоким входным сопротивлением Rвх и малым выходным Rвых.

6. Усилитель не должен иметь статических ошибок, а также шумовых и дрейфовых ошибок, проявляющихся в заданном диапазоне температур и с течением времени.

Вобщем случае интегральный ОУ имеет трѐхкаскадную структуру, которая представлена на рис. 2.1.

Вкачестве входного каскада используется входной дифференциальный усилитель (ВДУ), обладающий малым коэффициентом усиления синфазного сигнала, т. е. для сигнала поступающего на оба входа ОУ с одинаковыми фазами и амплитудами. Для минимизации статических и дрейфовых ошибок и повышения входного сопротивления ВДУ работает в режиме микротоков, что ограничивает его усилительные возможности и снижает быстродействие.

+EП

UВЫХ.

−EП

Рис. 2.1

Далее следует усилитель напряжения (УН), токи покоя которого лежат в диапазоне от десятых доле до единиц миллиампер. Поэтому коэффициенты усиления УН превышают на один-два порядка коэффициенты усиления ВДУ. Быстродействие УН также заметно превышает быстродействие ВДУ. В этом каскаде, построенном, как и ВДУ по дифференциальной схеме, происходит переход от дифференциального (симметричного) сигнала к несимметричному относительно общей точки схемы. Также здесь осуществляется сдвиг постоянной составляющей выходного напряжения (составляющей, определяющей рабочую

11

точку усилителя) УН для согласования с рабочей точкой усилителя мощности (УМ). Для сдвига используется схема сдвига напряжения (ССН), смещающая постоянную составляющую напряжения (не связанную с полезным сигналом), не затрагивая переменную. При этом следует помнить, что для ОУ усиливаемым сигналом может быть сигнал постоянного тока, поэтому рабочая точка – постоянное напряжение в отсутствие полезного сигнала на входе ОУ.

С помощью усилителя мощности производится усиление сигнала по мощности для обеспечения согласования выхода усилителя с возможной низкоомной нагрузкой. В УН обычно происходит значительное усиление сигнала по току и, соответственно, по мощности – до нескольких тысяч раз. Усиление по напряжению осуществляется не во всех типах ОУ и это усиление относительно невелико.

Стабильная работа ОУ обеспечивается за счѐт источника неизменного тока (ИНТ). Он обеспечивает температурную стабилизацию токов ВДУ и УН. Для уменьшения влияния изменения питающего напряжения ОУ обычно запитываются от двуполярных источников напряжения +E1 и +E2. При асимметрии питающих напряжений даже в пределах ± 5 % значительно ухудшаются такие параметры, как коэффициент ослабления синфазного сигнала и напряжение смещения.

2.2.Описание исследуемого операционного усилителя

Вработе исследуется монолитный операционный усилитель К140УД1. Электрическая принципиальная схема ОУ приведена на рис. 2.2. Здесь ВДУ собран на транзисторах VT1 и VT2. Усиливаемые входные сигналы создают противофазные падения напряжений на резисторах R1 и R3. Каскад УН собран на эмит- терно-связанных VT4 и VT5. При этом в коллекторной цепи VT4 нагрузка отсутствует и он оказывается включѐн по схеме эмиттерного повторителя. В цепи коллектора VT5 имеется нагрузка R8. При подаче входного напряжения на входы ОУ усиленное напряжение поступает с резистора R1 на базу VT5, изменяя ток его базы и, соответственно, коллектора. При этом усиленное напряжение с резистора R3, противофазное напряжению в базе VT5, поступая на базу VT4, изменяет его коллекторный ток на такую же величину, но в противофазе. Это приводит к тому, что его эмиттерный потенциал изменяется так же. При этом оказывается, что при попарной идентичности VT1 и VT2, VT4 и VT5 между базой и эмиттером VT5 приложено удвоенное изменение напряжением по-сравнению с изменением напряжения на резисторе R3. Таким образом, падение напряжения на R8 пред-

12

ставляет собой сумму усиленных напряжений на R1 и R3. Кроме того, снимая усиленное напряжение с R8 относительно общей точки схемы, мы осуществляем переход от дифференциального входа УН к несимметричному относительно общей точки выходу.

Рис. 2.2

Транзисторы VT7 и VT8 обеспечивают сдвиг уровня напряжения в совокупности с R9, R10 и R12 и диодом VD1, защищающего от перегрузок цепь эмиттер-база VT7.

УМ построен на транзисторе VT9, включеного по схеме эмиттерного повторителя. Сопротивление R12 обеспечивает небольшую положительную обратную связь, повышая общий коэффициент усиления.

ИНТ в виде «токового зеркала», собранный на VT3 и VT6, служит для стабилизации работы ОУ. Сопротивления R2 и R7 в эмиттерных цепях VT3 и VT6 обеспечивают необходимые значения стабильных токов транзисторов ВДУ и УН.

Выводы «Коррекция» используются для подключения внешних корректирующих цепей.

По-сравнению с более поздними разработками исследуемый ОУ имеет низкий коэффициент усиления и малый коэффициент полезного действия из-за использования однотактной схемы выходного каскада с относительно большим

13

током покоя и не использования высокоомных динамических нагрузок в каскадах усиление напряжения и составных транзисторов. Недостатками также являются невысокая нагрузочная способность и малая амплитуда неискажѐнного выходного сигнала.

Исследуемый ОУ изготавливается методами полупроводниковой технологии. Все активные и пассивные элементы ИС формируются в объѐме кремниевой подложки. В связи с плохими изолирующими свойствами кремния элементы ИС изолируются друг от друга, располагаясь в так называемых карманах, которые изолируются друг от друга с помощью поликристаллического кремния, оксида кремния и карбида кремния. В качестве примера на рис. 2.3 показан разрез части ИС с карманами, в которых сформированы n–p–n-транзистор и диффузионный резистор. Там же показаны контактные

Рис. 2.3

окна и соединительные плѐночные проводники, которые наносятся методами напыления. После изготовления подложки она припаивается к корпусу ИС. Затем термокомпрессионным методом к контактным площадкам и выводам подсоединяются золотые и алюминиевые проводники и производят пайку крышки сборку остальной части корпуса.

2.3.Описание измерительной установки

Вработе исследуются амплитудные, частотные и нагрузочные характеристики ОУ К140УД9.

Электрическая схема установки приведена на рис. 2.4. В неѐ входят исследуемый ОУ, сопротивления R1 и R2 в цепи обратной связи с переключателем K1, нагрузочные сопротивления R6…R8 с переключателем K2, корректирующая цепь для обеспечения устойчивой работы усилителя R4, R5 и C2. Конденсатор C1 служит для развязки входа ОУ и выхода генератора сигналов G по постоянному току. Заданный коэффициент усиления в полосе рабочих частот усилителя обеспечивается с помощью сопротивлений R3, R2 и R1.

Напряжение входного сигнала, формируемое генератором G, измеряется

14

Рис. 2.4

вольтметром V3. Для измерения выходного напряжения используется вольтметр V1. Питание ОУ обеспечивается однополярным источником напряжения, выходное напряжение которого расщепляется на +E1 и –E2 с помощью резистивного делителя напряжения R9, R10. Переменный резистор R10, регулируя напряжение +E1, позволяет исследовать влияние асимметрии напряжений питания на основные характеристики ОУ. Напряжение источника +E1 контролируется вольтметром V2. Ток питания измеряется амперметром I1. Осциллограф на выходе ОУ позволяет наблюдать изменение формы сигнала.

2.4.Программа работы и указания по еѐ выполнению

1.Уяснить цели и задачи данной работы.

2.Изучить основные теоретические положения.

3.Выписать из справочника параметры исследуемого ОУ.

4.Ознакомиться со схемой и основными приборами измерительной установки.

5.Включить источник питания и установить его выходное напряжение равным 25 В. С помощью R10 установить +E1 равным 12,5 В. Включить генератор, осциллограф и вольтметры. Установить необходимое сопротивление в

15

цепи обратной связи переключателем K1 для получения заданного коэффициента усиления.

6.Снять амплитудные характеристики усилителя в заданном частотном диапазоне. Для этого, установив требуемую частоту выходного напряжения генератора G, изменять его выходное напряжение, фиксируя зависимость выходного напряжения от входного с помощью соответствующих вольтметров. Характеристика должна включать как участок линейной работы ОУ, так и участок насыщения. Одновременно наблюдать за формой сигнала, фиксируя его форму при еѐ изменениях для представления в отчѐте.

7.Повторить измерения на других указанных преподавателем частотах.

8.Снять нагрузочную характеристику на заданной частоте, изменяя сопротивление нагрузки с помощью K2, при разных уровнях входного сигнала, как для линейного участка амплитудной характеристики, так и для участка насыщения.

9.Установить другое значение сопротивления в цепи обратной связи и повторить измерения по пп. 6 и 7.

10.Исследовать влияние асимметрии питания на параметры ОУ. Для этого

спомощью R10 увеличить +E1 до 13 В и снять амплитудную характеристику. Обратить внимание на изменение участка насыщения. Наблюдать за изменением формы сигнала.

11.Установить выходное напряжение генератора равным нулю и выключить генератор и другие приборы.

2.5. Содержание отчѐта

Отчѐт должен содержать:

1.Электрическую принципиальную схему ОУ, измерительной установки и основные параметры объекта исследования.

2.Результаты измерений в виде таблиц и графиков.

3.Расчѐт выходного сопротивления ОУ в различных режимах на разных частотах. Необходимо привести расчѐтные формулы с примерами подстановки исходных данных

4.Графики рассчитанных по амплитудным характеристикам зависимостей коэффициентов усиления от частоты. Ось частоты представить в логарифмическом масштабе.

5.Выводы по работе.

16

2.6.Контрольные вопросы

1.Укажите назначение линейных интегральных схем и исследуемого ОУ.

2.Назовите требования, предъявляемые к параметрам ОУ.

3.Опишите обобщѐнную структурную схему ОУ.

4.Из каких узлов состоит исследуемый ОУ и каковы их схемотехнические особенности?

5.Укажите особенности конструкции исследуемого ОУ.

6.Поясните назначение элементов измерительной установки.

7.Дайте объяснение экспериментально снятых характеристик исследованного ОУ.

3.ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИРКУЛЯТОРА НА ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

Цель работы: ознакомление с принципом работы и областями применения циркулятора на интегральных операционных усилителях, исследование его параметров и характеристик.

3.1. Основные теоретические положения

При создании устройств радиотехнической электроники нередко возникает проблема обеспечить независимую работу источников сигнала и приемников в том случае, когда они подключены к одной линии связи. Так, например, в радиолокационных станциях одна и та же антенна выполняет функции передающей и одновременно приемной антенны, то же самое наблюдается и в радиорелейных линиях связи. В системах связи, например, в телефонии, также необходимо обеспечить независимую работу микрофона и телефона, чтобы не допустить перегрузки микрофона сигналом, поступающим от телефона.

ставляет собой схему с тремя и более вхо-

дами, представленную на рис. 3.1. Схема

Рис. 3.1

17

характеризуется тем, что при приложении к одному из входов сигнал будет проходить по циркулятору в направлении, указанном стрелкой. На свободном входе сигнал будет идентичен входному, а при закороченном входе – знак напряжения изменится на противоположный. Если же ко входу будет подключен резистор R Rg , второй вывод которого заземлен, то на нем будет получено

напряжение, пропорциональное входному сигналу, а на последующие входы сигнал проходить не будет.

Втехнике СВЧ указанные свойства реализуются в циркуляторе, имеющем невзаимные элементы. В наиболее распространенных системах циркуляторов используются намагниченные ферриты, обеспечивающие невзаимный фазовый сдвиг или невзаимный поворот плоскости поляризации.

Вдиапазоне низких и высоких частот циркулятор можно построить с помощью универсальных активных компонент – интегральных операционных усилителей. Напомним, что эти компоненты обладают уникальными свойствами: большим коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением, высокой стабильностью, поэтому параметры электронных схем с такими операционными усилителями определяются в основном внешними элементами. Влияние же параметров собственно операционного усилителя на работу схемы оказывается незначительным,

Схема с операционными усилителями, обладающая свойствами циркулятора, изображена на рис. 3.2. Она состоит из 3-х каскадов, один из которых изображен на рис. 3.3. Рассмотрим подробнее работу этого каскада. Пусть сопротивление, подключѐнное к неинвертирующему входу равно бесконечности. При этом, с учѐтом отсутствия входных токов операционного усили-

теля, I1 равен нулю и, следовательно, Vp Vвх. Vn , так как по сопротивлению

Rg , подключенному к неинвертирующему входу ОУ ток не протекает. Из-за равенства Vp Vn не будет протекать ток и по цепи обратной связи.

Отсюда, Uвых. Uвх..

Если соединить вход 1 с общей точкой схемы, тогда U1 0 и Vn Vp 0 . В

точке схемы, к которой подключѐн инвертирующий вход, из уравнения равновесия токов

Uвх. Uвых. 0

Rg Rg

следует, что Uвых. Uвх. и схема будет работать как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным −1.

18

Рис. 3.2

Рис. 3.3

Теперь подключим к входу 1 сопротивление R , равное Rg . Тогда напря-

жение на неинвертирующем входе будет равно Uвх. / 2 . Такое же напряжение будет приложено и к инвертирующему входу. Из уравнения равновесия токов на инвертирующем входе

следует, что при Vn Uвх. / 2 выходное напряжение равно нулю.

В этом случае схема будет работать как блок вычитания двух одинаковых напряжений Uвх. .

Наконец, положив напряжение Uвх. равным нулю, подадим на вход 1 напряжение U1 . В этом случае коэффициент обратной связи βос Rg / (Rg Rg ) 0,5 .

19

Так как операционный усилитель высоким собственным коэффициентом усиления, то при наличии отрицательной обратной связи коэффициент усиления Kос 1 / βос составит в нашем случае 2. Следовательно, на выходе возникает на-

пряжение Uвых. 2U1 .

Теперь можно понять как работает 3-х каскадная схема циркулятора на операционных усилителях. Пусть на вход подано напряжение U1 , вход 2 нагружен на заземленное сопротивление Rg , а вход 3 не нагружен. Из анализа

работы одиночного каскада следует, что выходное напряжение операционного усилителя ОУ2 будет равно нулю. Операционный усилитель ОУ3, поскольку вход его не нагружен, имеет коэффициент усиления, равный 1, и его выходное напряжение будет равно нулю. Операционный усилитель ОУ1 работает в режиме электрометрического усилителя с коэффициентом усиления, равным 2. Поэтому его выходное напряжение равно 2U1 . Это напряжение приложено к делителю, состоящему из двух одинаковых сопротивлений Rg , и на заземленном

сопротивлении Rg , подключенном к неинвертирующему входу операционного усилителя, появится напряжение, равное U1 . Таким образом, напряжение от источника сигнала U1 , появится на входе 2, на входе 3 его не будет, т.е. входы 2 и 3 оказываются развязанными между собой.

Циркулятор характеризуется следующими параметрами:

– переходным ослаблением, которое представляет собой отношение напряжения источника сигнала к напряжению на входе 2, выраженное в децибелах

Lперех. 20lg U1 , [дБ].

U2

Переходное ослабление характеризует потери при прохождении сигнала по циркулятору в прямом направлении.

– коэффициентом направленности, который равен отношению напряжения на входе 2 – U2 к напряжению на входе 3 – U3 , выраженному в децибеллах

Lнапр. 20lg U2 , [дБ].

U3

Этот коэффициент характеризует степень развязки блоков, под - ключаемых к соответствующим плечам циркулятора. Вследствие неодинаковости сопротивлений Rg и неидеальности операционных усилителей ко-

эффициент направленности имеет конечную величину. Помимо этих причин на величину коэффициента направленности влияют паразитные емкости

20