Реферат: Исследование усилительных каскадов

НА ОУ

Методическиеуказания к лабораторной работе №204

ОСНОВНЫЕУСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ОУ      - операционный усилитель,

ООС   - отрицательная обратная связь,

КООС - коэффициент ослабления синфазного сигнала (Fs),

К        - коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи,

Ê  –        — êîýôôèöèåíòóñèëåíèÿ ïîíàïðÿæåíèþèíâåðòèðóþùåãîóñèëèòåëÿíà ÎÓ,

К+       - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя на ОУ,

«–»      - инвертирующий вход ОУ,

«+»     - неинвертирующий вход ОУ,

Rвх.оу, Rвх.ус,   — входноесопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,

Rвых.оу, Rвых.оу — выходноесопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,

Uсм       — входноенапряжение смещения ОУ,

Jсм1,2   - токисмещения инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, соответственно,

Jр         — разностный входной ток ОУ,

Jсм       — среднийток смещения ОУ.

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цельюнастоящей работы является:

1.   изучениеосновных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ;

2.   изучениесхемотехники усилительных устройств на ОУ;

3.   выработканавыков экспериментальной работы с ОУ на интегральных микросхемах.

2.ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

2.1Изучить основные параметры  ОУ и методики их определения (подразделы 3.1, 3.2,Приложение 1).

2.2Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертирующего,дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета(подразделы 3,2,4).

2.3Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета(раздел 4).

2.4Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).

2.5Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необходимые данные,кроме экспериментальных (раздел 5).

3. ÎÏÅÐÀÖÈÎÍÍÛÅÓÑÈËÈÒÅËÈ

Операционныйусилитель (ОУ) — это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом,имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1(К=104 ...106), большое входное (Rвх=0.1...100 МОм)и малое выходное (Rвх=50...400 МОм) сопротивления. Влинейных усилителях  применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи(ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...103,но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ вусилителях без цепей ООС недопустимо.

3.1. Основныепараметры ОУ.

ПараметрыОУ можно условно разделить на две группы: к первой группе относятся параметры,характерные для всех линейных усилительных устройств:

1)коэффициентусиления по напряжению без обратной связи — К;

2)входноесопротивление Rвх.оу и входнаяемкость Cвх.оу;

3)выходноесопротивление Rвых.оу;

4)переходнаяхарактеристика (ПХ) и амплитудночастотная характеристика (АЧХ);

5)напряжениепитания (обычно ±15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ безнагрузки.

Ковторой группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ,  как дифференциальногоусилителя, имеющего два входа — инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий(вход«+»).

                                                                                         

                       />                    

                                          Рис.3.1.

Приподаче сигнала на вход «–» выходное напряжение противофазно входному, приподаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ковторой группе параметров ОУ относятся:

1)входноенапряжение смещения Uсм;

2)входнойток смещения Jсм (входной токпо входу «–» — Jсм1, входной ток по входу «+» — Jсм2);

3)разностьвходных токов смещения Jр=Jсм1–Jсм2;

4)коэффициентослабления синфазных сигналов Fs<sub/>оу,характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные кобоим входам ОУ одновременно.

Входноенапряжение смещения Uсм определяется, как напряжение,которое требуется приложить между входами «–» и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем,чтобы обеспечить Uвых=0. В идеальном случае принулевом дифференциальном входном напряжение на выходе ОУ  напряжение Uвых=0, реально имеетсяUвых¹0, возникающееиз-за разбаланса входного дифференциального каскада. Когда обеспечено Uвых=0 путем подачина вход усилителя Uсм, говорят, что в усилителе установлен нуль, или онсбалансирован. Установка нуля усилителя  на ОУ может быть выполнена подачейсоответствующих сигналов как на вход «+», так и на вход «–».

ОУв первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транзисторы (биполярныеили полевые). Этим транзисторам, как приборам, управляемым током, для базовогосмещения необходим определенный ток. Поэтому во всех усилителях на ОУ должныбыть предусмотрены цепи протекания постоянных токов смещения Jсм, в противномслучае усилитель будет неработоспособен. Входной ток смещения Jсм, приводимый всправочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения

              Jсм=(Jсм1–Jсм2)/2,                                          (3.1)

отличиево входных токах смещения характеризуется справочными параметром

              Jр.=Jсм1–Jсм2.                                          (3.1а)

Влияниепараметров Uсм, Jсм, Jр на работуусилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе.

3.2Схемывключения ОУ

Основнымисхемами включения ОУ являются инвертирующая, неинвертирующая, дифференциальнаясхемы.

Èíâåðòèðóþùååâêëþ÷åíèåÎÓ

 

Схемаинвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.2.

/>                     />

         

              Рис.3.2                                                         Рис 3.3              

Сопротивлениеотрицательной обратной связи Rос, включенное свыхода усилителя на инвертирующий вход «–», образует цепь параллельной обратнойсвязи по напряжению. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя:

                       K_  =  _  ___KRос_____________________

                                      R1(Rос/R1 + Rос/Rвх.оу + 1 + K)                (3.3)

гдеRвх.оу, — дифференциальное входное сопротивление ОУ,

       К       - коэффициент усиления ОУ без ООС.

ПриRвх.оу >> Rос и  К >> 1

K_ » — Rос / R1.                                                              (3.4)

Входноесопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной R1:

              Rвх.ус  » R1,

и так как R1 относительномало (от единиц до сотен килоом), то эта схема включения характеризуется малойвеличиной входного сопротивления.

Âûõîäíîåñîïðîòèâëåíèåèíâåðòèðóþùåãîóñèëèòåëÿ

          Rвых.ус » Rвых.оу/(1+К/K_),                                                 (3.5)

гдеRвых.оу — выходноесопротивление ОУ.

Дляустановки нуля инвертирующего усилителя используется вход «+» (см. рис. 3.3.).

Неинвертирующеевключение ОУ.

 

Схеманеинвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.4.

/>/>

              Рис.3.4                                             Рис. 3.5

Коэффициентусиления неинвертирующего усилителя

/>                                             (3.6)

ПриRвх.оу >> Rос и  К >> 1

/>.                                                                   (3.7)

Входноесопротивление неинвертирующего усилителя

/>.

Приглубокой ООС, когда фактор обратной связи F=(K/K+)>>1,

Rвх.ус » R3,                                                               (3.8)

тоесть входное сопротивление определяется величиной навесного элемента R3.

Выходноесопротивление неинвертирующего усилителя

Rвых.ус » Rвых.оу / (1+F)  <<  Rвых.оу  .                                   (3.9)

Дляустановки нуля неинвертирующего усилителя используется вход «–» (см. рис.3.5).

Важнымчастным вариантом схемы рис.3.4 при Rос= ¥, является схемаповторителя напряжения на ОУ, представлена на рис.3.6.

                                 />                       

                                          Рис.3.6.

Повторительохвачен 100%-й ООС (F=К>>1), имеет единичный коэффициент передачипо напряжению и входные и выходные параметры, близкие к параметрам идеальногоусилителя:

K+=1,

Rвх.ус = (Rвх.оу К)® ¥,                                              (3.10)

Rвых.ус = (Rвых.оу / К)®0.

Дифференциальноевключение ОУ.

Схемадифференциального включения ОУ (рис.3.7) использует инвертирующий инеинвертирующий входы

/>

                                                    рис.3.7

Дифферециальныйусилитель (ДУ) усиливает дифференциальные входные сигналы Uвх.диф.=(Uc2–Uс1), действующиемежду инвертирующими и неинвертирующими входами усилителя. ДУ ослабляет синфазныевходные сигналы Uвх.синф.=Uc2=Uс1, действующиемежду входами усилителя и общей точкой («землей»).

ОслаблениеUвх.синф. происходиттолько в том случае, если модули коэффициентов усиления по инвертирующему (вход1) и неинвертирующему (вход 2) входами равны. Из формул (3.3) и (3.7) следует,что при одних и тех же элементах R1 и Rос, винвертирующем и неинвертирующем усилителях │K–│¹K+.

Дляих выравнивания в ДУ перед входом «+» включается делитель напряжения R3, R2 с коэффициентомделения  R2/(R2+R3),обеспечивающий результирующий коэффициент усиления по входу2:

    />                                  (3.11)

Приобеспечении равенства

    />                                                             (3.12)

из(3.11) следует, что

    />    .

Вэтом случае при подаче на входы 1, 2 сигналов Uc2, Uс1, напряжениена выходе усилителя равно

    />.               (3.13)

Из(3.13) следует, что ДУ ослабляет синфазные сигналы

Uвх.синф.=Uc2=Uс1

таккак при этом

Uвых=(Uвх синф К+*)/Fsус → 0,

гдеFsус — коэффициентослабления синфазных сигналов дифференциальным усилителем  на ОУ (сам ОУ имееткоэффициент ослабления синфазных сигналов Fs). В идеальномДУ когда Fs ® ¥  и абсолютноточно выполняется (3.12), величина Fsус ® ¥. На практикеиз-за ограниченности Fs реальных ОУ инеточности выполнения (3.12) наблюдается конечная величина Fsус… Для ееувеличения при заданном типе ОУ часто применяют вместо дискретных сопротивленийR1, R2, R3, Rос интегральныерезистивные матрицы сопротивлений, выполненные на одной подложке по одномутехнологическому циклу. Значения сопротивлений резистивных матриц при действиидестабилизирующих факторов (температура, старение и др.) изменяются поодинаковому закону, при этом условие (3.12) выполняется с высокой точностью (сотносительной погрешностью 10-3…10-4). Это позволяетдостигнуть в ДУ на ОУ, работающих в широком диапазоне температур окружающейсреды, значения Fsус., близкие к Fs. Прииспользовании в ДУ дискретных сопротивлений R1, R2, R3, Rос увеличение Fsус. может бытьдостигнуто только в узком температурном диапазоне путем подстройкисопротивлений для обеспечения (3.12), (3.13) с требуемой точностью.

Дифференциальныесигналы в ДУ, как следует из (3.13), усиливаются с коэффициентом усиления

    />                                                   (3.14)

3.4.Влияниенапряжения и токов смещения на работу усилителя на ОУ

НаличиеUсм и Jсм приводит к возникновениюв усилительном каскаде на этом ОУ выходного напряжения сдвига Uвых.сдв при нулевомвходном сигнале. Амплитудные характеристики неинвертирующего усилителя приразличных Uвых.сдв приведены нарис.3.8.

                       />        

                                        Рис.3.8.

Видно,что наличие Uвых.сдв ¹0  приводит кпогрешности усиления полезных сигналов, а так же к изменению динамическихдиапазонов входных сигналов положительной и отрицательной полярности. Величина Uвых.сдв определяетсяпараметрами ОУ и схемой его включения.

Порядокоценки Uвых.сдв в усилителях наОУ.

1.Ванализируемом усилителе определяют эквивалентное сопротивление R– по постоянномутоку между входом «–» ОУ и общей точкой («землей») и эквивалентноесопротивление R+ по постоянномутоку между входом «+» ОУ и общей точкой (R+ и R– определяют сучетом сопротивления Rс источников сигналов по постоянному току).

2.Рассчитываютнапряжения, вызываемые Jсм1, Jсм2 наинвертирующем и неинвертирующем входах усилителя

              U1=Jсм1 R–,          U2=Jсм2 R+.

3.Рассчитываюткоэффициенты усиления К+ и К– на постоянном токе.

4.РассчитываютUвых.сдв по формуле

    Uвых.сдв = К+Uсм + К–U1 + К+U2                 (3.15)

Например,для схемы инвертирующего усилителя (рис.3.2)

приRc<<R1,

R–=R1Rос / (R1+Rос),                  R+=R2,

Uвых.сдв.» Rос[(Uсм+Jсм2R2)/R1 — Jсм1],              (3.15а)

длясхемы неинвертирующего усилителя

Uвых.сдв.» Rос[(Uсм+Jсм2Rс)/R1  -  Jсм1],             (3.15б)

3.5.Измерениенапряжения и токов смещения ОУ

Измерение Uсм

Изформул (3.3), (3.7), (3.15) следует, что Uсм можноопределить по выходному напряжению усилителя при R–=R+=0, то естьпутем измерения Uвых. В схеме повторителя рис.3.9. при R–=0.

                                 />                          

                                                    рис.3.9.

/>Uсм= Uвых                                                                          (3.16)

                       R+=0

                       R–=0.

Измерение Jсм1 и Jсм2

ПриR+=0, R–¹0 (см. формулу(3.15)) Uвых= Uсм– Jсм1 R–, откуда

/>/>                                                         (3.17)

аналогично,при R–=0, R+¹0, Uвых= Uсм+ Jсм2 R+,

/>                                                  (3.18)

ОпределивJсм1 и Jсм2 ,  рассчитываютJсм и Jр по формулам(3.1) и (3.1а).

4.ОПИСАНИЕЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Всостав лабораторной установки входят:

1)лабораторныймакет;

2)лабораторныйблок питания (типа ТЭС 13);

3)универсальныйвольтметр (типа В7-15, В7-16).

Лабораторныймакет содержит:

а)усилитель на ОУ (типа К140УД9) с коммутационными элементами, обеспечивающиминабор схем инвертирующего усилителя, повторителя напряжения, не инвертирующегоусилителя;

б)дифференциальный усилитель на ОУ с внешними сопротивлениями, выполненными намикросхемной  резистивной матрице (типа 301НР1); дифференциальный усилительвключается специальным переключателем (Вкл) и расположен в правой нижней частилицевой панели лабораторного макета;

в)два встроенных источника регулируемого постоянного напряжения (Uвых= – 1.5…+1.5В),расположенных на верхней части корпуса лабораторного макета (U1, U2);

г)встроенное переменное сопротивление (для измерения Rвых усилителя), выводыкоторого расположены в левой верхней части лицевой панели лабораторного макета;

д)встроенный источник регулируемого постоянного напряжения, предназначенного длякомпенсации напряжения смещения усилителя (с возможностью грубой и плавнойрегулировки), расположенный в левой нижней части лицевой панели лабораторногомакета.

Питаниелабораторного макета осуществляется от источника постоянного напряжения Еп=24…30В.

Внешнийвид лицевой панели с нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторногомакета представлен на рис.4.1.

/>

5.ПОРЯДОКВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1.Измерениетоков и напряжения смещения.

 

а)Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.),обеспечив R–=0 и R+=0. Измерить Uвых усилительногокаскада, Uсм=Uвых.

б)Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.),обеспечив R+=0 и R–=1 Мом. ИзмеритьUвых, рассчитать Jсм1 по формуле(3.17), используя значение Uсм, полученные впункте а.

в)Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.),обеспечив R–=0 и R+=1 Мом. ИзмеритьUвых, рассчитать Jсм2 по формуле(3.18).

г)Определить Jсм и Jр по формулам(3.1) и (3.1а). Занести результаты в таблицу 5.1.

                                                                                          Таблица5.1.

тип ОУ

Uсм

Jсм1

Jсм2

Jсм

Ê14ÎÓÄ9

5.2.Исследование инвертирующего усилителя

а)Набрать на лабораторном макете схему инвертирующего усилителя (рис.3.2),обеспечив R1»36 кОм, Rос»1 Мом, R2»1 Мом.

Провестиизмерения R1 и Rос при помощиуниверсального вольтметра (с обязательным их отключением в процессе измеренияот входа «–» ОУ). Рассчитать К– по формуле (3.3).

ОпределитьUвых.сдв. усилителя по формуле(3.15а). Результаты занести в таблицу 5.2.

                                                                                          Таблица5.2.

R1

Rос

К–

Uвых.сдв

Rвх

Ðàñ÷åò Эксперимент

б)Снять зависимости выходного напряжения усилителя от входного, построитьамплитудную характеристику усилителя. В качестве Uвх Использоватьвстроенные источники регулированного постоянного напряжения (U1,U2). Измерить Uвых.сдв. усилителя путемизмерения Uвых при Uвых.сдв=0, сравнить срезультатами расчетов по формуле (3.15а).

в)Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля(см.рис.3.3.). используя грубую и точную регулировку Uсм установить Uвых=0 спогрешностью  £ ±5мВ. Повторно снять амплитуднуюхарактеристику усилителя и построить ее на одном графике с АХ, полученной впункте б). Измерить К–=Uвых/Uвх, сравнить срасчетом по формуле (3.3).

г)Измерить Rвх при помощивнешнего переменного сопротивления, выводы которого выведены на панельлабораторного макета. Измерения проводить по методике, изложенной в приложении1. Результат измерения сравнить с R1, сделать выводы.

    Занестирезультаты в таблицу 5.2. результаты измерения К–, Uвых.сдв, Rвх.

    Примечание:Номиналы сопротивлений R1, R2, Rос могут бытьотличны от указанных в пункте а. и заданны преподавателем из имеющегося наборасопротивлений.

5.3Исследованиенеинвертирующего усилителя

а)Набрать на лабораторном макете схему неинвертирующего усилителя (рис.3.4.),обеспечив R1»100 кОм, Rос»1 Мом, R3»1 Мом (см. примечание в подразделе5.1).

          Провестиизмерения R1, Rос как этоуказанно в подразделе 5.1. Рассчитать К+ по формуле (3.7).Определить Uвых.сдв усилителя поформуле (3.15б). Результаты занести в таблицу 5.3.

                                                                                   Таблица5.3

R1

Rос

К+

Uвых.сдв

Rвх

Расчет Эксперимент

б)Измерить Uвых.сдв усилителя путемизмерения при Uвых при Uвх=0.

          Подключитьна вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.5). Используягрубую и точную регулировку Uсм установитьнулевое входное напряжение с погрешностью менее ±5мВ. Снять амплитудную характеристику усилителя,построить ее на одном графике с АХ инвертирующего усилителя. Измерить К+=Uвых/Uвх, сравнить срасчетом по формуле (3.7)

в)Определить Rвхнеинвертирующего усилителя по методике изложенной в приложении 1. Сравнитьвходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего усилителей, сделатьвыводы. Занести в таблицу 5.3. результаты измерения.

5.4Исследованиедифференциального усилителя.

 

а)Включить схему дифференциального усилителя. Измерить Uвых.сдв для чегоизмерить Uвых приподключенных к общей точке («земле») обоих выходов усилителя.

б)Используя встроенные источники регулируемого напряжения подать нанеинвертирующий вход дифференциального усилителя сигнал Uс1=+30…+50 мВ, ана неинвертирующий вход — сигнал Uс2=+50…+100 мВ.Измерить Uвых, сравнить его срезультатом расчета по формуле (3.13).

в)Подключить ко входам дифференциального усилителя сигналы Uс1=Uс2=(2…3)В.Измерить Uвых, рассчитатькоэффициент ослабления синфазных сигналов усилителем по формуле:

          />

          гдеК+ определяется по формуле (3.11),

          Повторитьизмерения Fs ус при Uс1= – (2…3)В.

ОпределитьFsус [дБ]=20lg Fsус

5.5Оформлениеотчета.

Отчетдолжен содержать:

              а)схемы инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей на ОУ;

              б)результаты расчетов, измерений, таблицы и графики, требуемые лабораторнымизаданиями;

              в)заключение о соответствии полученных результатов теоретическим данным.

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.Основныепараметры ОУ.

2.Инвертирующеевключение ОУ.

3.Неинвертирующеевключение ОУ.

4.Дифференциальноевключение ОУ.

5.Повторителинапряжения на ОУ.

6.Схемыустановки нуля в инвертирующем и неинвертирующем усилителях.

7.Влияниевыходного напряжения сдвига на амплитудную характеристику усилителя.

8.Определениевыходного напряжения сдвига усилителей на ОУ.

9.Измерениетоков и напряжения смещения ОУ.

10.Методикаизмерения входного сопротивления усилительных каскадов.

ЛИТЕРАТУРА

1.ÎñòàïåíêîÃ.Ñ.Óñèëèòåëüíûåóñòðîéñòâà: Ó÷åá.ïîñîáèå äëÿâóçîâ. – Ì.:Ðàäèî èñâÿçü, 1989, ïîäðàçäåëû7.1, 7.2, 8.2.

2.Ïðîåêòèðîâàíèåóñèëèòåëüíûõóñòðîéñòâ:Ó÷åá.ïîñîáèå/Åôèìîâ Â.Â.,Ïàâëîâ Â.Í.,Ñîêîëîâ Þ.Ï. èäð.; ïîäðåäàêöèåéÍ.Â. Òåðïóãîâà.- Ì.: Âûñø.øêîëà, 1982, §3.2.

3.ÔîëêåíáåððèË.Ïðèìåíåíèåîïåðàöèîííûõóñèëèòåëåéè ëèíåéíûõÈÑ. — Ì.: Ìèð, 1985, §1.5-1.8, 3.1-3.3.

                                                                                      Приложение1.

ИЗМЕРЕНИЕВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯУСИЛИТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ ИСТОЧНИКА СТАБИЛЬНОГО СИГНАЛА ИИЗВЕСТНОГО ВНЕШНЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Схемадля измерения Rвх.ус представлена нарис.П.1., где R — известноевнешнее сопротивление, Uс — напряжениевходного сигнала.

                       />                

                                          рис.П.1.

Приподаче на вход исследуемого усилителя Uс при R=0 (R — короткозамкнуто)напряжение на выходе усилителя равно:

U1=Uc K0,

гдеK0 — коэффициентусиления усилителя по напряжению. При включении R¹0 напряжение навыходе усилителя уменьшается, так как из-за наличия делителя напряжения (R, Rвх.ус) уменьшаетсянапряжение на выходе усилителя пропорционально величине  /> =  Rвх.ус/(R+ Rвх.ус). При этомнапряжение на выходе усилителя равно

/>.

Извыражения для U2 и U1 видно,что       />      ,откуда следует:

/>

Следовательно,зная  R  и   />  , можноопределить Rвх.ус.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике