Tsimbalist_E_I_Silushkin_S_V_--_Issledovanie_analogovykh_skhem_v_programmno-apparatnoy_srede_NI_ELVIS_uchebnoe_posobie

в) выбрать транзистор с большей крутизной S;

г) выбрать транзистор с меньшей инерционностью; д) увеличить емкость C;

е) уменьшить R1.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

цель работы;

схемы и результаты эксперимента;

теоретические расчеты искажений;

сравнение результатов теории и эксперимента;

выводы.

151

Лабораторная работа № 6

Типовые схемы включения операционных усилителей

Цель работы

Овладение методикой исследования в программно-аппаратной среде NI ELVIS параметров и характеристик типовых схем операционных усилителей.

Задачи исследования

1.Подготовка к лабораторной работе, т. е. формирование знаний и пониманий процессов, происходящих в исследуемой схеме.

2.Проработка разделов порядка выполнения работы. Поиск ответов по каждому пункту на вопросы: как его реально выполнить? Что должно быть получено в результате его выполнения (прогнозируемый результат)?

3.Приобретение навыков исследования параметров и характеристик типовых схем операционных усилителей с использованием:

функционального генератора (FGEN) и осциллографа Scope;

регулируемого источника питания (Variable Power Supplies

DPS);

цифрового мультиметра (Digital Multimetr DMM);

анализатора амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик АЧХ/ФЧХ (Bode Analyzer).

4.Обработка полученных экспериментальных данных, подготовка и защита отчета.

Краткие сведения из теории

Операционным называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схемах с обратной связью. Однако область применения операционных усилителей (ОУ), выполненных в виде микросхем, значительно шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему, которая представляет из себя усилитель постоянного тока. Такой усилитель позволяет строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которой зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включен.

152

Таким образом, ОУ предназначены для проведения различных линейных и нелинейных операций над входными сигналами, а применение глубоких обратных связей позволяет обеспечивать высокое качество таких преобразований.

ОУ, согласно классификации по ГОСТ 4.465 86, делятся на универсальные (общего применения), прецизионные (инструментальные), регулируемые (микромощные) и т. д.

С другой стороны, в зависимости от соответствий входного и выходного сопротивлений ОУ с сопротивлениями источника сигнала и нагрузки различают усилители: с потенциальным или токовым входом, с токовым выходом. В зависимости от возможности получать амплитуду выходного сигнала до уровня напряжения примененного источника питания различают усилители типа rail-to-rail и т. д.

В справочной литературе обычно описывают следующие основные параметры ОУ:

коэффициент усиления по напряжению: отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного дифференциального напряжения;

частота единичного усиления: значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения падает до единицы;

максимальное выходное напряжение: максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения;

скорость нарастания выходного напряжения: отношение его изменения от 10 до 90 % от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение;

напряжение смещения: значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение было равно нулю;

входные токи: токи, протекающие через входные контакты ОУ;

разность входных токов;

дрейф напряжения смещения;

дрейф разности входных токов;

максимальное входное дифференциальное напряжение: напряжение, прикладываемое между входами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению микросхемы;

максимальное синфазное входное напряжение: наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входам ОУ

153

относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность микросхемы;

коэффициент ослабления синфазного сигнала: отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения;

выходной ток: максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность микросхемы.

Визмерительных устройствах необходимо усиливать с малыми искажениями слабые электрические сигналы, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех.

Прецизионный усилитель, используемый для этих целей, должен обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля и его дрейфом, малыми уровнями шумов, большим входным сопротивлением.

Влабораторной работе использован операционный усилитель OP-07 (российский аналог КР140УД17), который является прецизион-

ным усилителем прямого усиления и широко используется в схемотехнике измерительных устройств. Наиболее полная информация об операционном усилителе OP-07 приводится в DATA SHEET, предоставляемых фирмами-изготовителями. Часть сведений об этом ОУ приведена в Приложении А.

Операционный усилитель КР140УД17 имеет внутреннюю схему частотной коррекции и может работать в диапазоне питающих напряжений от 3 до 18 В каждой полярности при симметричном (двухполярном) питании, которое в основном и будет использовано в лабораторном цикле.

Предварительно познакомимся с важнейшими правилами, которые в первом приближении определяют поведение ОУ, охваченного петлей глубокой ООС и работающего в линейном режиме, когда его входы и выход не перегружены. Они справедливы почти для всех случаев.

Правило 1

Так как дифференциальное входное напряжение стремится к нулю, то входы ОУ эквипотенциальны.

Правило 2

Входы ОУ ток не потребляют.

Правило 3

По выходу ОУ близок к источнику ЭДС.

154

Таким образом, ОУ является источником ЭДС, управляемым ЭДС на входе.

В зависимости от вида ООС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ.

Инвертирующее включение ОУ

В инвертирующем усилителе (рис. 5.51) входной сигнал и сигнал обратной связи противоположного знака суммируются с помощью резисторов R1 и R2. Как известно, такая обратная связь называется параллельной по входу. Что касается обратной связи по выходу, то она является по напряжению, так как напряжение обратной связи

UОС = ОС UВЫХ

Рис. 5.44. Типовая схема инвертирующего усилителя

Зная вид обратной связи и помня правила 1 и 2, можно определить основные параметры инвертирующего усилителя коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.

Воспользуемся вышеперечисленными правилами для получения формулы коэффициента усиления.

1.Потенциал точки А равен потенциалу точки В и также равен потенциалу земли. Поэтому в литературе точку А называют «виртуальная земля», «квазиземля» или «виртуальный нуль», «квазинуль».

2.Тогда UR1 = UВХ, а UR2 = UВЫХ.

3.Согласно правилу 2 и первому закону Кирхгофа получим:

UВХ R1 UВЫХ R2.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

КИН UВЫХ UВХ R2R1.

155

Еще проще можно найти входное сопротивление усилителя. Так как UA 0, то RВХ И R1.

Не столь наглядно определяется выходное сопротивление. В этом случае следует воспользоваться постулатами теории обратной связи (ОС): если по выходу отрицательная ОС (ООС) по напряжению, то выходное сопротивление инвертирующего усилителя равно:

RВЫХ И = RВЫХ ОУ /(1 + КУ βОС),

где RВЫХ ОУ выходное сопротивление ОУ, КУ – коэффициент усиления ОУ.

Заметим, что с позиций теории ОС можно подтвердить полученные выше выражения для КИН и RВХ И.

В ОУ без ОС, начиная с некоторой частоты СР1 (рис. 5.52), наблюдается спад коэффициента усиления. Одной из причин этого спада является то, что ОУ для сигналов, поступающих от источника с конечным выходным сопротивлением, представляет собой емкостную нагрузку. Поэтому ОУ эквивалентен фильтру низких частот.

Рис. 5.52. Амплитудно-частотные характеристики инвертирующих усилителей с разной глубиной обратной связи

При введении ООС АЧХ усилителя зависит от параметров элементов цепи ОС. Так, для коэффициента усилителя, охваченного цепью ОС с коэффициентом передачи ос2 или ос3, происходит уменьшение коэффициента усиления и повышение частоты среза в (1 + КУ· ос) раз.

Действительно

156

Подставляя (1) в формулу

КИН( jω) КУ ( jω)(1 КУ ( jω)βОС),

получим:

Следовательно, для такого усилителя частота среза, определяемая из условия

увеличивается пропорционально глубине ОС и полоса пропускания расширяется.

Для усилителей с АЧХ, характеризуемых (1), справедливо следующее утверждение: произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (определяется на уровне 3 дБ) величина постоянная, т. е.

КИН ωср = const.

Поэтому увеличение коэффициента усиления KИН приводит к сужению полосы пропускания и наоборот.

Полученные выражения являются базовыми и для неинвертирующего усилителя.

Изображенная на рис. 5.51 схема инвертирующего включения ОУ не является принципиальной. Скорее всего это схема для переменных составляющих тока и напряжения, так как в ней отсутствуют цепи питания усилителя.

Как отмечалось выше, в лабораторной работе в основном будет использовано симметричное, двухполярное питание, которое может быть получено или от встроенных в макет стабилизаторов напряжения на9 V и 9 V , или от регулируемых (VPS) источников: SUPPLY + и SUPPLY .

Первый вариант (рис. 5.53) будет использован при исследовании амплитудной характеристики схем с ОУ, так как регулируемые источники NI ELVIS являются источниками входного напряжения.

157

Если модули напряжений питания одинаковы, то изломы на АХ будут симметричными. Для разных значений модулей уход с линейного режима работы схемы в нелинейный будет ассиметричным.

Второй вариант (рис. 5.55) двухполярного питания может быть применен для исследования схем на максимальную амплитуду выходного гармонического сигнала при использовании на входе напряжения, получаемого с функционального генератора FGEN с его выхода FUNC OUT.

Рис. 5.55. Инвертирующее включение ОУ с двухполярными источниками питания от NI ELVIS: SUPPLY+ и SUPPLY

Если для всех мгновенных значений входного сигнала ОУ работает в линейном режиме, то выходной сигнал также будет практически гармоническим (рис. 5.56).

Рис. 5.56. Работа ОУ в линейном режиме

159

Когда на некоторых участках входное напряжение переводит ОУ в нелинейный режим работы, то на выходном напряжении формируется отсечка: симметричная при симметричной АХ (рис. 5.57) и несимметричная в противном случае.

Рис. 5.57. Формирование отсечки выходного напряжения при заходе усилителя в нелинейный режим работы

Использование двухполярного источника питания не является единственно возможным. Схема с однополярным питанием, например, реализуется тогда, когда один из входов ОУ, куда подключается источники питания, заземляется.

Представим, что в схемах, изображенных на рис. 5.53 или 5.55, оставлен только источник питания положительной полярности. Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источников питания, как это обычно делается в случае двухполярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания.

Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет.

Наиболее естественно использовать однополярное питание ОУ тогда, когда источник входного сигнала имеет постоянную составляющую, желательно на уровне половины примененного в схеме питания.

На рис. 5.58 и 5.59 представлены примеры схем подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.

160