ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Целью работы является практическое ознакомление со схемами включения операционного усилителя (ОУ).

Основные сведения.Основным активным элементом современной аналоговой схемотехники является ОУ – сложная схема, выполненная в интегральном исполнении (т. е. интегральная микросхема). Главное ее преимущество – возможность быстро и без больших расходов изменять не только 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 отме-

чен «–»). 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. Рис. 6.1

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, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), фазочастотная характеристика (ФЧХ), а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку 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, 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 выходного сигнала (Uвых) от амплитуды входного сигнала.

Рис. 6.2

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 входного сигнала на инвертирующий вход (Uвx = ); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (Uвx = );. участок –Uвx. max < Uвx < Uвx max соответствует 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 характеристика. 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 две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.3 (по оси ординат отложены значения модуля коэффициента усиления).

Рис. 6.3

Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ отличаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (fв. гр), соответствующей 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 имеет даже Rвx = 109 Ом). Значения выходных сопротивлений ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.

6. Скорость нарастания большого сигнала– параметр комплексный, охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в про-цессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (рис. 6.2), то, обозначив длительность фронта через τфр, для скорости и нарастания сигнала запишем u ¹ 2Е/τфр. Значение u тесно связано с частотными свойствами ОУ: это оче-видно, так как длительность фронтов τфр ~ 1/fв. гр, где fв. гр – верхняя граничная частота (при описании частотных свойств ОУ чаще используют частоту усиления максимальной мощности и частоту единичного усиления, однако эти параметры имеют с fв. гр одну и ту же физическую природу).

7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (tн) и время установления (tу). Очевидно, что τфр = tн + tу. Если фронт – апериодический, то tу = 0 и τфр = tн. Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитно-му самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность само-возбуждения выше, чем при апериодическом. Значение периода затухающих колебаний на вершине импульса с квазигармоническим фронтом позволяет оценить, на какой частоте имеет место угроза паразитного самовозбуждения.

Описание лабораторной установки.В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, регулируемый источник постоянного напря-жения, генератор гармонических сигналов, вольтметр постоянного напряже-ния, вольтметр переменного напряжения и осциллограф. Лицевая панель ма-кета приведена на рис. 6.4.

С помощью перемычек на макете можно собирать различные схемы включения ОУ, изменять его параметры. Необходимые для расчетов значения сопротивлений: R1 = 100 Ом, R2 = 10 кОм, R12 = 100 кОм, R13 = 10 кОм. Коммутация резисторов R14 – R17 позволяет исследовать влияние нагрузки на характеристики ОУ. Сопротивления R8 – R10, а также цепочка R11 – С4позволяют проверить эффективность разных методов балансировки операционного усилителя.

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 постоянного тока. Подсоединить цепь балансировки R8;

б) установив на выходе регулируемого источника нулевое напряжение, вращать 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. 3в, 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) поддерживая напряжение генератора постоянным и равным 20 мВ, изменять частоту сигнала (регистрируя Uвых) до тех пор, пока Uвых не снизится до уровня входного сигнала, т. е. до 20 мВ. Частота, при которой Uвых оказывается равным Uвх, называется частотой единичного усиления;

в) заменить в обратной связи R12 на большее сопротивление R13 (при этом модуль коэффициента передачи схемы равен единице). Установить на генераторе частоту 1 кГц и, повышая уровень напряжения генератора, получить 8 В на выходе ОУ;

г) увеличивая частоту сигнала, зафиксировать появление искажений формы выходного сигнала. Частота, при которой появляются искажения, является верхней границей полосы усиления максимальной мощности.

5. Измерить максимальную скорость нарастания выходного сигнала.

Переключить генератор в режим формирования меандра частотой 100 кГц и амплитудой 10 В. Определить по осциллографу τфр, рассчитать u.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Результаты измерений и расчетов по п. п. 2–5 (графики ПХ, АЧХ, значения fЕУ, fУММ, τфр, u).

3. Выводы.

 

Лабораторная работа № 7