Лабораторная работа № 6. Исследование работы аналоговой микросхемы

Цель работы: Изучить устройство и принцип работы аналоговой микросхемы на примере операционного усилителя. Определить экспериментальным путем параметры ОУ. Построить характеристики ОУ.

Оборудование и программное обеспечение : лабораторный стенд с операционным усилителем, мультиметр (2 шт), источник питания постоянного тока, генератор НЧ, осциллограф , программное обеспечение Electronics WorkBench (EWB) , MathCAD.

Основная литература

26. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец./ И.А.Данилов, П.М.Иванов. – 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 752 с.

27. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. – 496 с.

28. Кирьянов Д.В. MathCAD 13 . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 608с.: ил.

29. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 528с.: ил.

30. Кардашев, Г. А., Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств . - М. : Горячая линия - Телеком , 2002 . - 260 с

Теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) – называют усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход и общий выход, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными сигналами в схемах с обратными связями.

В настоящее время ОУ, изготовленные по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми элементами, а благодаря разнообразным внешним обратным связям позволяют создавать устройства самого различного функционального назначения (усилители, сумматоры, компараторы, фильтры, дифференциаторы, интеграторы и т.д.).

На рис 6.1 показано схематичное изображение операционного усилителя.

Рис.6.1. Схематичное изображение ОУ

Выводы имеют следующее значение:

• V+: неинвертирующий вход,

• V−: инвертирующий вход,

• Vout: выход,

• VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC+),

• VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC−).

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они абсолютно необходимы для его функционирования. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы.

Общая характеристика. Операционным усилителем (ОУ) при­нято называть усилитель постоянного тока с дифференциаль­ным входом и однотактным выходом, характерный высоким ко­эффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями.

Входные ( , ) и выходное ( ) напряжения ОУ связаны соотношением:

, (6.1)

В связи с тем, что достаточно велик (10⁵ – 10⁶), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи. При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т.п.

Типичная схема ОУ с активной отрицательной обратной свя­зью показана на рис. 6.2, где сопротивление включает в себя сопротивление источника питания . В таком варианте ОУ выполняет функцию стаби­льного усиления.

Рис. 6.2 Типичная схема включения ОУ

Если входное сопротивление ОУ существенно превышает значение сопротив­лений и , то входным током операционного усилителя можно пренебречь и считать . Последнее равенство мож­но записать в виде

(6.2)

Подставляя и проводя простые преобразования, получаем коэффициент усиления схемы:

. (6.3)

Если коэффициент усиления ОУ достаточно велик, то вто­рым слагаемым в знаменателе (6.3) можно пренебречь, тогда

. (6.4)

Выражение (6.4) является фундаментальным для ОУ. Оно показывает, что при определенных условиях коэффициент уси­ления схемы зависит только от параметров цепи обратной связи и не зависит от параметров самого ОУ. В частности, ко­эффициент усиления схемы не зависит от температуры, от на­пряжений питания и от изменений коэффициентов , какими бы причинами эти изменения ни вызывались. Заменяя активные сопротивления и комплексными, можно получить желательные переходные и частотные характеристики, по-прежнему не зависящие от параметров ОУ.

Уточним условия, при которых действительно выражение (6.4). Прежде всего оно базируется на высоких значениях коэффициента уси­ления . А именно, согласно (6.3) должно выполняться неравенство

(6.5)

Следовательно, коэффициент усиления ОУ должен намного превы­шать желательный коэффициент усиления схемы. Например, если желательно иметь К = 100, то коэффициент Ко должен быть больше 103-104.

С ростом частоты величина неизбежно уменьшается, что приво­дит к нарушению неравенства (6.5). Поэтому чем выше граничная частота коэффициента , тем в более широком диапазоне частот действительно выражение (6.4) со всеми его преимуществами.

Из рис. 6.2 видно, что интегральный ОУ, помимо входных и выходных зажимов имеет выводы для подачи двухполярного напряжения питания. Иногда ОУ также имеет дополнительные выводы для коррекции характеристик.

Основные параметры ОУ. Для того чтобы ОУ имел диффе­ренциальный вход, его первый каскад должен быть дифферен­циальным усилителем. В зависимости от коэффициента усиления первого дифференциального каскада (ДК) за ним следует либо второй ДК, либо сразу схемы сдвига уров­ня и другие промежуточные каскады, которые в конечном сче­те призваны связать ДК с мощным выходным каскадом. По­следний практически всегда строится по двухтактной схеме класса В.

Наличие входного ДК предопределяет номенклатуру пара­метров ОУ: она практически такая же, как у отдельного диффе­ренциального усилителя.. К их числу относятся:

• коэффициент усиления ,

• коэффициент ослабления (подавления) синфазной составляющей ,

• напряжение смещения и его темпера­турная чувствительность ,

• средний входной ток и раз­ность входных токов .

• Кроме того, конечно, указываются напряжения питания ,

• потребляемые ток ,

• мощность ,

• максимальные входные и выходные напряжения,

• макси­мальный выходной ток и некоторые другие.

Входное и выходное сопротивления не всегда включают в число основных параметров, но о них можно судить по значе­ниям входных и выходных токов.

Быстродействие ОУ принято характеризовать скоростью на­растания выходного напряжения ; этот параметр измеря­ется при ступенчатом входном сигнале с максимально допусти­мой амплитудой. Реже используют максимальную частоту или частоту единичного усиления при которой коэффициент усиления падает до значения .

Параметры ОУ можно разделить на следующие группы.

Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:

• напряжение смещения нуля  , значение которого определяется неидентичностью напряжений транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT;

• входной ток инвертирующего и неинвертирующего входа , а также средний и разностный входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока .

• максимальное входное дифференциальное и синфазное напряжения;

• входное дифференциальное сопротивление , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;

• входное синфазное сопротивление _. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

Передаточные параметры:

• коэффициент усиления по напряжению определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу

; (6.6)

• коэффициент ослабления синфазного сигнала определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала

. (6.7)

Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

• граничная частота – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе.

• частота единичного усилия т. е. частота, при которой . Граничная частота  , частота единичного усиления и коэффициент усиления по напряжению для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением

(6.8)

• запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления , характеризует устойчивость ОУ.

, (6.9)

где – фазовый сдвиг на частоте . Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:

• выходное сопротивление  ;

• максимальный выходной ток  , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки  ;

• максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина , что составляет примерно - 10 В.

Переходные параметры:

• скорость нарастания выходного напряжения максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;

• время установления выходного напряжения время за которое выходное напряжение достигает свое стационарное значение с заданной точностью.

Область применения ОУ

1. Предусилители и буферные усилители звукового и видеочастотного диапазона.

2. Компараторы напряжения.

3. Дифференциальные усилители.

4. Дифференциаторы и интеграторы.

5. Фильтры.

6. Выпрямители повышенной точности.

7. Стабилизаторы напряжения и тока.

8. Аналоговые вычислители.

9. Аналого-цифровые преобразователи.

10. Цифро-аналоговые преобразователи.

11. Генераторы сигналов.

12. Преобразователи ток-напряжение и напряжение-ток.

Расчетное задание

1. Выбрать из справочника ОУ, указать статические и динамические характеристики выбранной МС.

2. Согласно формуле 6.3 рассчитать коэффициент усиления К для схемы, изображенной на рис 6.2.

Порядок выполнения работы

1. Произвести все необходимые расчеты, указанные в расчетном задании.

2. Выбрать разделить на 10 точек весь диапазон изменения входного напряжения. Измерить на каждом уровне входного напряжения уровень выходного.

	1	2	3	4	5	6	…	10	Среднее значение

Для каждого отсчета вычислить значение . Почле завершения всего цикла измерений – рассчитать среднее значение и сравнить его с паспортным.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под ОУ.

2. Какие свойства характерны для идеального усилителя?

3. Что понимается под инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ?

4. Что такое синфазный сигнал.

5. Назовите основные свойства дифференциального каскада.

6. Что такое напряжение сдвига?

7. Что представляет собой блок - схема ОУ? Охарактеризуйте каждый из каскадов.

8. Поясните амплитудную (передаточную) характеристику.

9. Поясните передаточную характеристику для синфазного сигнала.

10. Назовите основные параметры входной цепи.

11. Поясните АЧХ ОУ.

12. Что понимается под частотой единичного усиления?

13. Каково влияние ОС на АЧХ?

14. Поясните фазовую характеристику ОУ.

15. Назовите критерий устойчивости.

16. Перечислите динамические параметры ОУ.

17. Каковы основные свойства инвертирующего усилителя?

18. Каковы основные свойства неинвертирующего каскада усилителя?

19. Поясните работу внешней компенсации сдвига.

20. Каким образом классифицируются ОУ?

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Оборудование и программное обеспечение.

4. Теоретические сведения.

5. Расчет исследуемой схемы, математическое моделирование в ПО MathCAD, моделирование схем в ПО EWB,.

6. Вывод .