Электроника_Лаба

коэффициент передачи усилителя, но и вообще менять назначение и функцию электронной схемы. Как правило, операционный усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на схеме рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отмечен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е. используются два источника с напряжениями Е1 и Е2, причем Е1 = – E2.

Как у всякого усилителя, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, ампли- тудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что посколь-

ку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных параметров, кроме Rвых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов,

31

формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю.

Основные параметры и характеристики ОУ:

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды выход-

ного сигнала (Uвых) от амплитуды входного сигнала.

В ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0. В силу последнего соображения передаточную характеристику измеряют при

обеих полярностях Uвх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.2: 1 – передаточная характеристика при подаче входно-

го сигнала на инвертирующий вход (Uвx = UBX- ); 2 – она же при подаче на не-

инвертирующий вход (Uвx ); участок –Uвx. max < Uвx < Uвx max соответ-

ствует линейному усилению, при |Uвx| > Uвx max возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Можно приближённо считать, что уровни ограничения равны +E и –Е, а Uвx max = E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ (К) может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.2). Отметим, что передаточные характеристики являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характери- Рис. 6.2 стика. В операционных усилителях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях приблизительно равны по модулю). Идентичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не

32

две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).

ются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (fв. гр), соответст-

вующей усилению 0,7Кmax, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (fУММ), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (fЕУ) – такую частоту, при которой КU = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (сокращенно – ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = fЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем включении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.

5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А

33

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Измерить напряжение смещения (Uсм):

а) подключить к инвертирующему входу ОУ резистор R1, неин-

вертирующий вход ОУ соединить с землей; в качестве обратной связи принять R12 (см. рис. 6.4). К выходу макета подключить вольтметр постоянного тока;

б) снять показание вольтметра (Uвых ОУ);

в) рассчитать напряжение смещения по формуле Uсм = – Uвых(R1/ R12). 3. Исследовать передаточные характеристики ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ регулируемый источник по-

стоянного напряжения через резистор R2, в качестве обратной связи принять

R12, к выходу ОУ (точка 28) подключить нагрузку R14, а также вольтметр постоян-

ного тока. Подсоединить цепь балансировки R8;

б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вра-

щать потенциометр R8 до тех пор, пока Uсм не будет компенсировано и на выходе ОУ не установится 0 В;

в) снять зависимость выходного напряжения ОУ от входного (диапазон изменения входного напряжения от +2 до –2 В).

г) повторить измерение п. 3, в, заменив нагрузку R14 на R15 (R15 < R14). 4. Исследовать АЧХ ОУ:

а) подключить к инвертирующему входу ОУ через резистор R2 генератор

гармонических сигналов, в качестве обратной связи принять R12, к выходу ОУ (точка 28) подсоединить вольтметр переменного тока и осциллограф;

б) измерить fЕУ: поддерживая напряжение генератора постоянным и равным

20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя Uвых) до тех пор, пока Uвых не снизится до уровня входного сигнала, при этом f = fЕУ;

в) измерить fУММ: заменить в обратной связи R12 на R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе f =1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ. Увеличивая f, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является fУММ.

36

5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала. Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и

амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τф, рассчитать v.

Содержание отчета:

1.Схемы соединения приборов при измерениях.

2.Результаты измерений и расчетов по пп. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, зна-

чения fЕУ, fУММ, τф, v). 3. Выводы.

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ КОРРЕКЦИИ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения.

Основные сведения. В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопреки ee функциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд Кγ 1 и ба-

ланса фаз ΔφК + Δφγ = n 360°, n = 0, 1, 2, ..., где К и γ – соответственно, коэф-

фициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; ΔφК и Δφγ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения ΔφК. Если допустить, что значения γ и Δφγ от частоты не зависят, причем Δφγ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где ΔφК = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты ΔφК возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в

37

случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е.

при К > 1/ γ .

Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению.

Рис. 7.1

Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя.

Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на ча-

стотах, где ΔφК достигает 360°.

Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь реактивных) элементов назы-

38

ты сопротивление С2 велико и сигнал через цепь не проходит, никакого корректирующего воздействия схема не оказывает. С увеличением частоты сопротивление С2 уменьшается и цепь двухполюсной коррекции превращается

в цепь однополюсной коррекции, причем функцию Ск выполняет эквива-

лентная емкость Сэ = С1С2/(С1 + С2). Следовательно, можно считать, что схема двухполюсной коррекции состоит из частотно-управляемого ключа и включаемой им схемы однополюсной коррекции. На рис. 7.3, б изображены ам- плитудно-частотные характеристики ОУ: 1 – без коррекции, 2 – при использовании однополюсной и 3 – двухполюсной коррекций.

Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4) в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше, и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ.

Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала.

Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую

цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе ΔφК сдвигом

40