Исследование усилительных каскадов (стр. 1 из 3)
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ОУ
Методические указания к лабораторной работе №204
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ 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,
К – - коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя на ОУ,
К+ - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя на ОУ,
«–» - инвертирующий вход ОУ,
«+» - неинвертирующий вход ОУ,
Rвх.оу, Rвх.ус, - входное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,
Rвых.оу, Rвых.оу - выходное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,
Uсм - входное напряжение смещения ОУ,
Jсм1,2 - токи смещения инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, соответственно,
Jр - разностный входной ток ОУ,
Jсм - средний ток смещения ОУ.
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью настоящей работы является:
1. изучение основных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ;
2. изучение схемотехники усилительных устройств на ОУ;
3. выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на интегральных микросхемах.
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
2.1 Изучить основные параметры ОУ и методики их определения (подразделы 3.1, 3.2, Приложение 1).
2.2 Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертирующего, дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета (подразделы 3,2,4).
2.3 Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4 Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).
2.5 Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необходимые данные, кроме экспериментальных (раздел 5).
3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель (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. В линейных 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 в усилителях без цепей ООС недопустимо.
3.1. Основные параметры ОУ.
Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой группе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств:
1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К;
2) входное сопротивление Rвх.оу и входная емкость Cвх.оу;
3) выходное сопротивление Rвых.оу;
4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характеристика (АЧХ);
5) напряжение питания (обычно ±15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки.
Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий (вход«+»).
Рис. 3.1.
При подаче сигнала на вход «–» выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся:
1) входное напряжение смещения Uсм;
2) входной ток смещения Jсм (входной ток по входу «–» - Jсм1, входной ток по входу «+» - Jсм2);
3) разность входных токов смещения Jр=Jсм1–Jсм2;
4) коэффициент ослабления синфазных сигналов Fsоу, характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно.
Входное напряжение 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 при нулевом дифференциальном входном напряжение на выходе ОУ напряжение Uвых=0, реально имеется Uвых¹0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального каскада. Когда обеспечено Uвых=0 путем подачи на вход усилителя Uсм, говорят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигналов как на вход «+», так и на вход «–».
ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транзисторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, управляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. Поэтому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протекания постоянных токов смещения Jсм, в противном случае усилитель будет неработоспособен. Входной ток смещения Jсм, приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения
Jсм=(Jсм1–Jсм2)/2, (3.1)
отличие во входных токах смещения характеризуется справочными параметром
Jр.=Jсм1–Jсм2. (3.1а)
Влияние параметров Uсм, Jсм, Jр на работу усилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе.
3.2 Схемы включения ОУ
Основными схемами включения ОУ являются инвертирующая, неинвертирующая, дифференциальная схемы.
Инвертирующее включение ОУ
Схема инвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.2.
Рис. 3.2 Рис 3.3
Сопротивление отрицательной обратной связи Rос, включенное с выхода усилителя на инвертирующий вход «–», образует цепь параллельной обратной связи по напряжению. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя:
K_ = _ ___KRос_____________________
R1(Rос/R1 + Rос/Rвх.оу + 1 + K) (3.3)
где Rвх.оу, - дифференциальное входное сопротивление ОУ,
К - коэффициент усиления ОУ без ООС.
При Rвх.оу >> Rос и К >> 1
K_ » - Rос / R1. (3.4)
Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной R1:
Rвх.ус » R1,
и так как R1 относительно мало (от единиц до сотен килоом), то эта схема включения характеризуется малой величиной входного сопротивления.
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя
Rвых.ус »Rвых.оу/(1+К/K_), (3.5)
где Rвых.оу - выходное сопротивление ОУ.
Для установки нуля инвертирующего усилителя используется вход «+» (см. рис. 3.3.).
Неинвертирующее включение ОУ.
Схема неинвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.4.
Рис. 3.4 Рис. 3.5
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
(3.6)При Rвх.оу >> Rос и К >> 1
. (3.7)Входное сопротивление неинвертирующего усилителя
.При глубокой ООС, когда фактор обратной связи F=(K/K+)>>1,
Rвх.ус»R3, (3.8)
то есть входное сопротивление определяется величиной навесного элемента R3.
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя
Rвых.ус»Rвых.оу / (1+F) <<Rвых.оу . (3.9)
Для установки нуля неинвертирующего усилителя используется вход «–» (см. рис.3.5).
Важным частным вариантом схемы рис.3.4 при Rос= ¥, является схема повторителя напряжения на ОУ, представлена на рис.3.6.
Рис.3.6.
Повторитель охвачен 100%-й ООС (F=К>>1),имеет единичный коэффициент передачи по напряжению и входные и выходные параметры, близкие к параметрам идеального усилителя:
K+=1,
Rвх.ус = (Rвх.оу К)®¥, (3.10)
Rвых.ус = (Rвых.оу / К)®0.
Дифференциальное включение ОУ.
Схема дифференциального включения ОУ (рис.3.7) использует инвертирующий и неинвертирующий входы
рис.3.7
Дифферециальный усилитель (ДУ) усиливает дифференциальные входные сигналы Uвх.диф.=(Uc2–Uс1), действующие между инвертирующими и неинвертирующими входами усилителя. ДУ ослабляет синфазные входные сигналы Uвх.синф.=Uc2=Uс1, действующие между входами усилителя и общей точкой («землей»).
Ослабление Uвх.синф. происходит только в том случае, если модули коэффициентов усиления по инвертирующему (вход 1) и неинвертирующему (вход 2) входами равны. Из формул (3.3) и (3.7) следует, что при одних и тех же элементах R1 и Rос, в инвертирующем и неинвертирующем усилителях │K –│¹K+.
Для их выравнивания в ДУ перед входом «+» включается делитель напряжения R3, R2 с коэффициентом деления R2/(R2+R3), обеспечивающий результирующий коэффициент усиления по входу2:
(3.11)При обеспечении равенства
(3.12)из (3.11) следует, что
.В этом случае при подаче на входы 1, 2 сигналов Uc2, Uс1, напряжение на выходе усилителя равно
. (3.13)