Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Лабораторная работа № 4
Операционные усилители

Лабораторная работа посвящена изучению операционных усилителей и схем их включения. В методическом пособии разъясняется принцип работы операционного усилителя, приводятся основные параметры и стандартные схемы включения.

В задачу студента входит практическое изучение операционных усилителей, измерение их параметров, макетирование и наладка некоторых электронных схем с их применением.

Оборудование: Осциллограф, цифровой вольтметр, генератор сигналов звуковой частоты, двухполярный источник питания, стандартная макетная плата.

Материалы и комплектующие:

Операционный усилитель: 140УД708 (или аналогичный) на платке с гибкими выводами и защитой по питанию – 1 шт.

Резисторы: 100 Ом – 2шт, 1к – 4 шт., 10к  – 2шт., 100к  – 1шт., 1МОм – 1шт., переменный резистор 510 Ом или 1к. – 1шт.

Конденсаторы: 100н – 1 шт.

Полупроводники: транзисторы КТ315 – 1 шт., диоды  КД522 – 2 шт.

Термопара «нихром-константан» – 1 шт.

 Введение

Операционный усилитель (ОУ) – это электронный усилитель, предназ­на­ченный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэф­фи­ци­ен­том усиления K0, малыми входными токами Iвх, большим входным сопро­тив­лением Rвх, малым выходным сопротивле­нием Rвых, достаточно большой граничной частотой усиления fгр, малым смещением нуля Uсм. Под больши­ми и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах мож­но считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Для идеального ОУ K0 = ¥; Iвх = 0; Rвх = ¥; Rвых = 0; fгр = ¥; Uсм = 0.

Основное назначение операционного усилителя – построение схем с точно синтезированной передаточной функцией K(ω), которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). На основе ОУ создаются прецизионные масштабирующие усилители, генераторы функций, стабилизаторы напряжения и тока, активные фильтры, логарифмирующие и потенцирующие усилители, интеграторы и дифференциаторы и т.д. Можно насчитать более 100 стандартных схем включения ОУ общего применения.

На рис. 4.1 приведена упрощенная принципиальная схема операционного усилителя.

Независимо от слож­ности внутреннего устройства первый каскад состоит из дифференци­аль­ного усилителя (ДУ), который определяет входные свойства ОУ. Использование полевых транзисторов на входе делает входные токи очень малыми (от 10‑9А до 10‑12А).

Второй каскад служит для усиления и согласования по сопротивлению входного и выходного каскадов.

Оконечный (выходной) каскад служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т. е. позволяет получить малое выходное сопротивление.

Рис. 4.1. Упрощенная принципиальная схема ОУ (часть схемы, обозначенная штриховкой, не приведена)

Операционные усилители обычно питаются от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжение +Uп, –Uп относительно нулевого провода («земли»). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ±3В до ±18В.

Выходное напряжение ОУ связано с дифференциальным сигналом на входе простым выражением

 Uвых = K0×(Uвх+ - Uвх–), (4.1)

где К0 - коэффициент усиления без обратной связи. Величина К0 для разных типов ОУ изменяется в диапазоне 103 ¸ 107.

Вследствие большого коэф­фи­циента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как малые полезные сигналы, так и собственные шумы и внешние наводки.

Несимметрия внутренних элементов, неста­биль­ность параметров приводит к тому, что без отрицательной обратной связи ОУ просто непригоден для работы в линейном режиме, так как напря­жение Uвых под влиянием шумов, наводок, температурных уходов будет принимать значения, близкие к напряжению источников питания (режим насыщения выходного кас­када).

Рис. 4.2. Примеры обозначений ОУ на схемах: а), б) обозначения в функциональных схемах; в)–е) в принципиальных схемах

Основной причиной, по кото­рой К0 делают большим, явля­ется обеспечение высокой стабиль­ности параметров при глубокой ООС.

Примеры схемных обозначений ОУ приведены на рис. 4.2. Обычно на схемах ОУ обозначается треуголь­ни­ком с указанием инвертирующего и неинвертирующего входа с помо­щью значков «–» и «+» (рис. 4.2, а), реже – прямоугольником с инверти­ру­ющим входом в виде кружка (рис. 4.2, б). Изображения, приведен­ные на рис. 4.2, а и 4.2, б, используются, как правило, в функциональных или упрощенных схемах, остальные – в принципиальных схемах.

 Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ (К0) равен отношению приращения выход­ного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряженю (току) при отсутствии ОС. Коэффициент усиления К0 является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC‑цепочки. Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксими­ру­ется диаграммой Боде (рис. 4.3, а). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг 90 °, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис. 4.3, а внизу. Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается ООС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте ве­личина К0b ³ 1, где b – коэффициент ОС, то отрицательная ОС прев­ращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

а) б)

Рис. 4.3. Характеристики ОУ: а) аппроксимированная логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характе­рис­тики (ФЧХ); б) статическая передаточная характеристика

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характе­ристику ОУ к звену первого порядка, как на рис. 4.4. Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (Rвх) определяется как отношение DUвх / DIвх при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия, величина их может отличаться на несколько порядков. Типовые значения Rвх на низких частотах для биполярных входов – 104¸108 Ом, для полевых – 107¸1012 Ом.

Выходное сопротивление Rвых – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение Uхх / Iкз (напряжение холостого хода / ток короткого замыкания), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотен Ом. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротив­ление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовое значение Rвых для ОУ широкого применения 100 ¸1000 Ом.

Входной ток смещения (Iвх) - ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под Iвх подразумевают среднее ариф­ме­тическое двух токов Iвх+ и Iвх–. Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких преде­лах: для биполярных входных транзисторов – 10‑5¸10‑8А, для полевых – 10‑9¸10‑12А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения Iвх (максимальные токи во всем температурном диапазоне).

Разность входных токов (ток сдвига) DIвх = |Iвх+ - Iвх–| определяется при заданном значении входного напряжения. Разность DIвх вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет вели­чи­ну 1¸5 мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (Uсм) определяется как разность напряжений на входах, при котором Uвых = 0 при оговоренных сопротивлениях резис­то­ров, подключаемых ко входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют э.д.с. смещения (Eсм). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе Uсм зависит в основном от разброса напряжений DUэ, б эмиттерно-базовых переходов и составляет 1¸10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе Uсм обычно в несколько раз больше (до 30 мВ), что объясняется их меньшей крутизной. Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обрат­ной связью, подать точно равные напряжения, например, оба входа заземлить, на выходе скорее всего будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих
нап­ряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения Uвых = Uсм×K0 ~10‑2 × 105 = 1000В >> Eпит. Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выход­ное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балан­си­ровка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного ДУ с помощью переменного резистора, подключае­мого к специальным выводам (Rбал. на рис. 4.1). Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и балансируются по входу (140УД5, рис. 4.2, е).

Средний температурный дрейф напряжения смещения (DUсм/DT) – максимальное изменение Uсм при изменении температуры на 1°C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в мкВ/°C. Типовые значения для биполярных входов 5¸20 мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20¸100 мкВ/°C. Если Uсм можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток Iвх и разность входных токов DIвх тоже изменяются с температурой.

Частота единичного усиления (f1) - это частота, на которой |K0(f1)| = 1. Характерная зависи­мость коэф­фициента усиления от частоты приведена на рис. 4.3, а и 4.4, где ЛАХ пересе­кает уровень 0 дБ в точках f1.

Рис. 4.4. ЛАХ ОУ с внутренней коррек­цией: 1 – без обратной связи; 2 ‑ при коэф­фициенте ООС b = 10‑1 (Кос = 10)

Граничная частота (fгр) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 децибела: |K(fгр)| = 0,707×|K(0)|.[1] Область частот 0 ¸ fгр называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу про­пус­кания (график 2 на рис. 4.4).

Скорость нарастания выход­ного напряжения определяется как dUвых/dt при воздействии импу­льса большой амплитуды. Изме­ря­ется в В/мкс. Для разных ОУ меня­ет­ся в преде­лах от 0,1 В/мкс (прецизионные ОУ) до 100 В/мкс (быстродей­ствую­щие ОУ). Этот параметр стано­вится важным, если ОУ исполь­зу­ется в качестве компа­ратора (раз­ли­чи­теля) уров­ней сигналов в быстродейству­ю­щих схемах.

Диапазон выходного напря­же­ния (DUвых) – это диапазон зна­че­ний выходного напряжения, при котором параметры ОУ ле­жат в гаранти­ро­ванных преде­лах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходном каскаде верхняя и нижняя границы диапазона раз­личны. Например, для 544УД2 DUвых=10В при Еп = ±15В (симметричный выход); для 140УД5 DUвых = +6В/–4В при Еп = ±12В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений (DUвх.сф) – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3¸5 В меньше Еп.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, если они вызывают одно и то же Uвых. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50 дБ (140УД5А) до 120 дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (Iвых.max). Для ОУ, имеющих внутрен­нюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1¸400 мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих пара­метров может стать самым важным и определяющим выбор типа ОУ.

Методика решения задач