Дослідження операційних підсилювачів.

Короткі теоретичні відомості.

Операційним підсилювачем (ОП) називається підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, який має два входи і один вихід. Умовне позначення ОП наведено на рис.1. Один із входів підсилювача ( U_вх.н, “+”) називають неінвертуючим, а другий (U_вх.і, “-”) – інвертуючим. При подачі сигналу на неінвертуючий вхід, приріст вихідного сигналу збігається за знаком із приростом вхідного сигналу. Якщо ж сигнал подати на інвертуючий вхід, то приріст вихідного сигналу має протилежний знак.

Важливою характеристикою ОП є його амплітудна характеристика (рис.2). Горизонтальні ділянки кривих відповідають режиму повністю відкритого (насиченого ) або закритого транзистора вихідного каскаду ОП.

Рис.1. Позначення ОП.

Похилі ( лінійні ) ділянки кривих відповідають пропорційній залежності вихідної напруги від вхідної. Кут нахилу ділянки визначається коефіцієнтом підсилення ОП . Значення залежить від типу ОП і може бути порядку від 10³ до 10⁷.

Рис.2.Амплітудна характеристика ОП.

Великі значення дозволяють при охопленні таких підсилювачів глибоким від’ємним зворотнім зв’язком створювати схеми з властивостями, що залежать тільки від параметрів ланки зворотного зв’язку.

Стан, коли при , називається балансом ОП. Для реальних ОП умова балансу не виконується. При вихідна напруга ОП може бути більшою або меншою від нуля. Балансування ОП здійснюється шляхом подачі на один з входів ОП деякої додаткової напруги.

Вхідний опір, вхідні струми зміщення, різниця і дрейф вхідних струмів зміщення, а також максимальна вхідна диференціальна напруга в основному залежать від схеми вхідного каскаду ОП.

Наявність вхідних струмів зміщення зумовлена обмеженими значеннями вхідного опору диференціального каскаду, а їх різниця – розбіжністю параметрів транзисторів.

Розрізняють два види вхідних опорів ОП: вхідний опір для сигналу який подається між входами, так званий диференційний вхідний опір R_вх, і вхідний опір синфазному сигналу R_вх.сф, який прикладається одночасно до обох входів ОП відносно спільної точки схеми.

Вхідний опір R_вх – відношення малої зміни диференціальної вхідної напруги до результуючої зміни струму при збереженні лінійності вихідної напруги .

Вхідний опір синфазному сигналу звичайно більший R_вх і рівний відношенню зміни синфазної напруги до результуючої зміни вхідного струму.

Максимальна диференційна вхідна напруга лімітує величину напруги, яка прикладається між вхідними затискачами з метою уникнення пошкодження транзисторів вхідного каскаду.

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, а також максимальна вихідна напруга і струм.

Підсилення гармонічних сигналів характеризується частотними параметрами ОП, а підсилення імпульсних сигналів – його динамічними параметрами.

Частотні параметри визначаються за амплітудно-частотною характеристикою ОП (рис.3), яка має спадну ділянку в області високої частоти, починаючи від частоти зрізу .

Рис.3. Амплітудно-частотна характеристика ОП.

Частота називається частотою одиничного підсилення, на цій частоті коефіцієнт підсилення ОП рівний одиниці. За частотою зрізу , на якій коефіцієнт підсилення зменшується в раз у порівнянні з на частоті зрізу , визначають смугу пропускання ОП.

Динамічними параметрами ОП є швидкість наростання вихідної напруги і час встановлення вихідної напруги. Вони визначаються по реакції ОП на дію стрибка напруги на вході (рис.4).

Рис.4. Реакція ОП на дію стрибка напруги на вході.

Швидкість наростання вихідної напруги знаходять з відношення приросту вихідної напруги ΔU до часу Δt, протягом якого вихідна напруга змінюється. Час встановлення вихідної напруги оцінюють інтервалом часу, протягом якого вихідна напруга змінюється від рівня 0.1 до 0.9 встановленого значення.

Високі якості параметрів сучасних операційних підсилювачів ( в інтегральному виконанні ) дозволяють без внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП приймати , та . Розглянемо схеми на ОП, які досліджуються в цій лабораторній роботі.

На рис.5 показана схема інвертуючого підсилювача.

Рис.5. Інвертуючий підсилювач.

У цій схемі змінюється знак вихідного сигналу відносно вхідного. Схема охоплена паралельним зворотнім зв’язком по напрузі, який реалізується з допомогою резистора . Неінвертуючий вхід з’єднується з загальною точкою схеми (заземлюється). Вхідний сигнал подається через резистор на інвертуючий вхід ОП. Параметри схеми можна визначити, якщо скласти рівняння струмів для вузла 1 при умові, що і . При цих умовах коефіцієнт підсилення по напрузі для інвертуючого підсилювача визначається тільки параметрами пасивної частини схеми (1). Вибір коли , надає схемі властивості інвертуючого повторювача напруги (інвертора сигналу). Тому що , вхідний опір схеми . Вихідний опір підсилювача (2), при - близький до нуля.

Неінвертуючий підсилювач показаний на рис.6. Схема охоплена послідовним від’ємним зворотнім зв’язком по напрузі. При умовах, прийнятих для ОП вище, коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача .

Рис.6. Схема неінвертуючого підсилювача.

При і приходимо до схеми повторювача з . Вхідний опір неінвертуючого підсилювача є великим і визначається вхідним опором ОП по неінвертуючому входу. Вихідний опір згідно співвідношення (2) прямує до нуля.

Схема інтегратора (рис.7) реалізується заміною у схемі рис.5 резистора на конденсатор С.

Рис.7. Інтегратор на ОП.

Аналогічно до схеми рис.5 . Тоді , (3), де - вихідна напруга при t=0. Коли відлік часу вести з моменту подачі вхідного сигналу, допускаючи що при t=0, і , тоді вираз (3) набуває вигляду (4), де - постійна часу, що визначає масштаб інтегрування. При =1с^-1 інтегрування відбувається в реальному масштабі часу. Масштаб інтегрування вибирають з врахуванням параметрів вхідних сигналів так, щоб до кінця проведення цієї операції вихідна напруга не досягала граничних значень або .

Завдання:

1. Для інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів перевірити коефіцієнти підсилення для різних значень опорів зворотного зв’язку. Зняти амплітудну характеристику підсилювача.

2. Дослідити схему інтегратора (рис.7). Для заданих параметрів вхідного сигналу вибрати постійну часу інтегрування і отримати осцилограми проінтегрованої напруги.