Параметры и характеристики операционных усилителей. Характеристики и параметры операционных усилителей Объяснить график ачх операционные усилители
Цель работы
· Ознакомиться с основами функционирования операционных усилителей.
· Изучить свойства операционных усилителей (ОУ) и простейших усилительных схем на основе ОУ.
· Приобрести практические навыки работы с электронными приборами и сборки электрических схем.
Задачи
· Измерить напряжение смещения нуля изучаемого ОУ.
· Измерить и проанализировать амплитудно-частотную характеристику неинвертирующего усилителя при различных значениях коэффициентов усиления усилителя.
· Измерить и проанализировать амплитудную характеристику неинвертирующего усилителя на низких и высоких частотах.
· Изучить амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя для различных значений коэффициента усиления.
· Измерить и проанализировать амплитудную характеристику инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах.
· Измерить максимальную скорость нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах.
· Измерить частотную характеристику максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.
1 Теоретические сведения
1.1 Историческая справка
Операционный усилитель (ОУ) был разработан для выполнения математических операций (сложения, вычитания, дифференцирования , интегрирования, логарифмирования и др.) в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ появился в 1942 году (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р. Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров ОУ способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ μА702, имевший рыночный успех, был разработан Р. Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время сфера применения ОУ для выполнения математических операций резко снизилась по сравнению с другими их применениями. Номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.
1.2 Общие сведения об операционных усилителях
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.
Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный к оэффициент усиления напряжения . Каждый ОУ содержит:
· входной балансный каскад
· каскад дополнительного усиления;
· выходной каскад усиления мощности.
Полная принципиальная схема ОУ содержит многочисленные триодные и диодные цепи и необходимые для работы усилителя резисторы. Они обеспечивают усиление сигнала, температурную стабильность, равенство потенциалов входных клемм ОУ, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, защиту схемы от перегрузок. Входной балансный каскад представляет собою дифференциальный усилитель на биполярных или полевых транзисторах. Дифференциальный усилитель – это усилитель постоянного тока. С целью уменьшения дрейфа нуля он собран по балансной схеме. Оконечным каскадом усилителя мощности, как правило, является истоковый (или эмиттерный) повторитель, что позволяет уменьшить выходное сопротивление ОУ.
Все каскады ОУ связаны между собой гальванически , без применения разделительных конденсаторов. ОУ имеет два входа: инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий или прямой (вход «+»). Сигнал, поданный на вход «+», усиливается и на выходе ОУ образуется усиленный сигнал синфазный со входным, т. е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Если подать сигнал на вход «–», то он не только усиливается, но и изменяется по фазе (инвертируется) на 180o, т. е. входной и выходной сигналы находятся в противофазе. При отсутствии сигналов оба входа и выход ОУ находятся под нулевыми потенциалами.
1.3 Основные характеристики ОУ
Многочисленные типы ОУ, выпускаемые промышленностью, подразделяются на ОУ общего назначения и специализированные ОУ (например, низкошумящие, микромощные, быстродействующие и некоторые другие). Для описания свойств тех и других используются следующие основные характеристики:
· Коэффициент усиления напряжения (КU) – это отношение амплитуды сигнала на выходе к амплитуде сигнала на одном из входов ОУ, когда другой вход соединён с «землёй» (или к разности сигналов на обоих входах ΔUвх, если источник сигнала включён между ними). Типичные значения КU для ОУ без цепей обратной связи находятся в пределах 104- 106.
· Частота единичного усиления. Каждый усилительный каскад ОУ обладает инерционностью, которая приводит к тому, что, начиная с некоторой частоты, усиление каскада уменьшается. Чем больше число каскадов, тем больше общая инерционность ОУ, тем меньше усиление на высоких частотах. На некоторой частоте входного сигнала усиление ОУ снижается до 1. Эта частота называется частотой единичного усиления и обозначается fт. Для низкочастотных ОУ fт=1 МГц, а для быстродействующих высокочастотных - fт=(15-100) МГц, а отдельные ОУ могут работать до 2000 МГц.
· Скорость нарастания напряжения (VU) характеризует время установления выходного сигнала большой амплитуды. Она зависит и от fт и от свойств выходных каскадов ОУ при передаче большого сигнала. Для низкочастотных ОУ VU=0,2 В/мкс, для быстродействующих VU=20 В/мкс и более.
· Входное сопротивление (Rвх) – отношение изменения напряжения на одном из входов ОУ к изменению входного тока. Если внешние обратные связи отсутствуют, то сопротивления Rвх неинвертирующего и инвертирующего входов ОУ одинаковы. Величина сопротивления Rвх зависит от типа транзисторов, применяемых во входном балансном усилителе. Если это биполярные транзисторы, то Rвх составляет (десятки-сотни) кОм, а если во входном каскаде полевые транзисторы, то Rвх – (единицы-тысячи) Мом.
· Выходное сопротивление (Rвых) – отношение изменения напряжения на выходе ОУ к изменению выходного тока. Для большинства типов ОУ (кроме усилителей мощности) Rвых~ (100-200) Ом.
· Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Ккосс) – отношение амплитуды выходного сигнала ОУ к амплитуде входного сигнала, поданного одновременно на оба входа. При подаче сигнала на вход «+» на выходе возникает сигнал той же полярности; при подаче сигнала на вход «–» – противоположной полярности. Следовательно, при подаче одинакового сигнала на оба входа выходные сигналы вычитаются. Если бы оба входа были совершенно симметричными, результирующий сигнал на выходе был бы равен нулю. Вследствие некоторой асимметрии выходной сигнал отличается от нуля, но он значительно меньше, чем входной. Коэффициент ослабления сигнала Ккосс для различных типов ОУ составляет 80-100 дБ.
Существуют и некоторые другие, менее существенные характеристики ОУ, такие как напряжение смещения нуля, входной ток и т. д.
1.4. Идеализация характеристик ОУ
Для упрощения различных расчётов используют понятие идеальный ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие основные характеристики:
· Коэффициент усиления напряжения очень велик (КU→ ∞).
· Частота единичного усиления очень велика (fт→ ∞).
· Входное сопротивление ОУ очень велико (Rвх→ ∞).
· Выходное сопротивление очень мало (Rвых→ 0).
· Напряжение смещения очень мало (Uсм → 0).
· Скорость нарастания выходного сигнала очень велика (VU→ ∞).
· Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик (Ккосс→ ∞).
В реальных ОУ такие характеристики недостижимы. Однако в большинстве применений стараются так подобрать тип ОУ и характеристики связанного с ним устройства, чтобы ОУ выступал по отношению к этому устройству, как идеальный. Так, например, импеданс цепи обратной связи ОУ выбирают значительно большим, чем Rвых, и значительно меньшим, чем Rвх, что позволяет в расчётах этими величинами пренебречь.
1.5 Свойства операционного усилителя
На рисунке 1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий U+ и инвертирующий U–. . В области низких частот выходное напряжение Uвых находится в той же фазе, что и разность входных напряжений Uд = U+ – U– , где Uд – разностное входное напряжение или напряжение дифференциального сигнала.
Рисунок 1 – Схемное обозначение операционного усилителя
Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рисунке 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рисунок 2): Всюду на рисунке 2: Uвх1 – инвертирующий вход, Uвх2 – неинвертирующий вход. В ОУ, обозначенном на рисунке 2 под номером 3, выводы 4 и 7 предназначены для подключения напряжения питания микросхемы, а выводы обозначенные NC – для подключения подстроечного резистора, с помощью которого можно уменьшать величину напряжения смещения нуля.
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя с сигналами как с положительной, так и с отрицательной полярностями, следует использовать двухполярное питающее устройство. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рисунке 1, подключаются к соответствующим внешним клеммам операционного усилителя.
Рисунок 2 – Альтернативные обозначения операционных усилителей
Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания (плюс 15 – минус 15) В. Однако есть ОУ работающие совсем с низкими напряжениями питании и усилители с однополярным напряжением питания. На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы.
В действительности идеальных операционных усилителей не существует. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей. Рассмотрим некоторые из них более подробно.
· Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя К0=DUвых / DUвх или К0=DUвых / D (U+ – U–) или К0= DUвых / DUд - называется собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т. е. коэффициентом усиления ОУ при отсутствии обратной связи. Откуда следует, что DUвых = К0۰DUд, т. е., приращение выходного напряжения должно быть прямо пропорционально приращению дифференциального входного напряжения. На рисунке 3 показана типичная зависимость выходного напряжения от дифференциального входного напряжения реального усилителя – амплитудная характеристика ОУ.
Рисунок. 3 –Амплитудная характеристика неинвертирующего ОУ
Видно, что зависимость Uвых = f (Uд) линейна только в диапазоне напряжений Uвых min < Uвых < Uвых max. Этот диапазон напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом Uд соответствующего увеличения Uвых не происходит. Границы области усиления Uвых max и минус Uвых max обычно отстоят приблизительно на 1-3 В от соответствующих значений положительного и отрицательного напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением питания (плюс 15 – минус 15) В обычно область усиления по выходному напряжению составляет (плюс 12 – минус 12) В. Хотя есть ОУ границы Uвых max и Uвых min которых совпадают с напряжением питания.
· Напряжение смещения нуля . Из соотношения Uвых = К0۰Uд следует, что амплитудная (или передаточная) характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, для реальных операционных усилителей эта характеристика несколько смещена относительно начала координат влево (или вправо), как показано на рисунке 3. Чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторое напряжение. Это напряжение называется напряжением смещения нуля Uсм. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю применением специальных методов.
· Коэффициент усиления синфазного сигнала. Если на оба входа ОУ подать одно и то же напряжение U+ = U– , то Uд =0. Выходное напряжение Uвых также должно остаться равным нулю. Однако, для реальных дифференциальных усилителей это не соответствует действительности, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала Ксин=DUвых/D(U+=U–) не строго равен нулю. Более того, как видно из рисунка 4, при достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Неидеальность операционного усилителя характеризуется параметром, называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала Ккосс= Ко/Ксин. Его типичные значения составляют 104-105. Коэффициент усиления дифференциального сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала Ксин. Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения.
Рисунок 4 – Зависимость выходного напряжения ОУ от синфазного входного сигнала
В справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины Ккосс. В формулах же величина Ккосс используется с учетом ее фактического знака.
· Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя . На рисунке 5 представлена типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.
Рисунок 5 –Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя
В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой 
Здесь Ко – предельное значение К на нижних частотах без цепей обратной связи ОУ. Выше частоты fво, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления К обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение К=Ко/f На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления К=1.
· Входное сопротивление. Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема замещения операционного усилителя по входу
У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф составляет несколько мегаОм, а входное сопротивление для синфазного сигнала Rвхcин несколько гигаОм. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер. Входное сопротивление синфазного сигнала – это сопротивление ОУ между двумя входами. Как правило, оно на 1–2 порядка больше входного сопротивления дифференциального сигнала
· Входные токи.
Большое значение имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя. Входной ток при отсутствии сигнала определяется по формуле 
. А входной ток смещения 
Для стандартных биполярных операционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько пикоампер.
· Полоса рабочих частот ОУ. Полоса частот ОУ зависит от наличия или отсутствия цепей обратной связи.
Рисунок 7 – Расширение рабочей полосы частот усилителя за счет действия обратной связи.
В связи с громадным значением коэффициента усиления операционного усилителя, как правило, в схемы устройств на ОУ вводят цепь отрицательной обратной связи. Благодаря этому полоса рабочих частот усилителя, охваченного обратной связью, расширяется (рисунок 7), так что произведение коэффициента усиления на ширину полосы для охваченного обратной связью усилителя равно частоте единичного усиления ОУ без обратной связи: fв = fТ/К.
1.6 Основные схемы включения ОУ
В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения.
· Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление.
· Напряжение между неинвертирующим и инвертирующим входами ОУ под действием отрицательной обратной связи становится равным нулю (принцип виртуального замыкания).
Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ.
1.6.1 Инвертирующий усилитель
Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 8. Используя два указанных выше предположения, определим коэффициент усиления по напряжению и нвертирующего усилителя.
Рисунок 8 – Инвертирующий усилитель
Резисторы R1 и R2 образуют цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между входами ОУ становится очень малой. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, то и на инвертирующем входе появляется потенциал близкий к нулю. При этом входной ток I1, протекающий по резистору R1, составит I1=U1/R1. Поскольку вход ОУ имеет очень большое сопротивление, то весь этот ток будет протекать по резистору R2, создавая падение напряжения U2 = U1 ۰ R2/R1. Здесь U1 = Uвх, U2 = Uвых. Поэтому коэффициент усиления по напряжению K оказывается равным К = –U2/U1. Таким образом К = – R 2 / R 1. Знак минус учитывает инверсию сигнала на выходе усилителя. Входное сопротивление усилителя Rвх = R1. Выходное сопротивление очень мало.
1.6.2 Неинвертирующий усилитель
Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке 9.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image013_53.jpg" width="279" height="188 src=">
Рисунок 10 – Схема замещения ОУ с отрицательной обратной связью с учетом влияния напряжения смещения
1.7 Коррекция частотной характеристики ОУ
Рисунок 11 – Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики операционного усилителя (диаграмма Боде).
Выше частоты f2 начинает действовать второй фильтр нижних частот и коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/декада), а фазовый сдвиг между Uд и Uвых достигает φ = –180°. Это означает, что отрицательная обратная связь, которая осуществлялась подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя, в этой частотной области становится положительной. Как известно, если имеется такая частота, для которой фазовый сдвиг по цепи обратной связи становится равным нулю (условие баланса фаз), а коэффициент петлевого усиления | Kb | > 1 (условие баланса амплитуд), в такой усилительной системе могут возникнуть автоколебания. Усилитель прекращает выполнять свои функции, превратившись в генератор. Коэффициент b в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Таким образом, как для инвертирующего, так и для неинвертирующего усилителя он определяется как b=R1/(R1+R2).
Для предотвращения самовозбуждения при наличии отрицательной обратной связи в усилитель вводятся частотно-корректирующие цепь. Для этого соединяют через конденсатор выход и вход (коллектор и базу – для биполярного транзистора) одного из транзисторов, входящих в состав ОУ. Как правило, такая цепь изменяет амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики операционного усилителя таким образом, что при https://pandia.ru/text/78/378/images/image016_44.jpg" width="313" height="232">
Рисунок 12 – Импульсные переходные характеристики операционного усилителя, охваченного обратной связью, при различных значениях запаса по фазе
Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения становится при этом довольно малой величиной. Вследствие ограниченного значения этой величины при быстрых изменениях входного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их называют динамическими искажениями. В частности, за счет недостаточной скорости изменения выходного сигнала с увеличением частоты начинает искажаться при большой амплитуде выходного сигнала сигнал синусоидальной формы. Часто при этом можно наблюдать, как сигнал синусоидальной формы превращается в сигнал пилообразной формы. В этом случае иногда говорят, что усилитель начал «пилить».
2 ЭКСПЕРИМЕНТ
2.1 Приборы и оборудование
2.1 Для проведения эксперимента используются следующие приборы и оборудование:
· Лабораторный макет «Линейные электрические цепи».
· Осциллограф двухканальный.
· Генератор гармонических сигналов низкочастотный.
· Два цифровых вольтметра.
· Соединительные провода и кабели.
Работу удобно выполнять на лабораторном макете «Линейные электрические цепи».
2.2 Лабораторный макет содержит:
§ Два блока операционных усилителей.
§ Блок источника питания.
§ Блок генераторов импульсов различной формы.
§ Набор линейных R, L, C элементов.
3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
§ Выполните следующие задания:
3.1 Измерение напряжения смещения нуля операционного усилителя
Для этого:
3.1.1 Убедитесь, что питание лабораторного макета выключено.
3.1.2 Соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 13.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image018_35.jpg" width="24" height="25">.jpg" width="27" height="14">» на нуль (в левое крайнее положение).
· Подготовьте вольтметры для измерения переменного напряжения U~.
3.2.2 Соберите схему неинвертирующего усилителя на ОУ, изображенную на рисунке 14.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image022_32.jpg" width="412" height="264">
Рисунок 15 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ неинвертирующего усилителя на ОУ.
3.2.4 Проверьте правильность соединений.
3.2.5 Включите питание макета и генератора.
3.2.6 Измерьте амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) неинвертирующего усилителя на ОУ в диапазоне частот от 100 Гц до 1МГц. Для этого установите начальную частоту на генераторе 100 Гц. При измерениях на входе усилителя поддерживайте напряжение U1 ≈ 100мВ ручкой регулятора напряжения генератора «https://pandia.ru/text/78/378/images/image023_61.gif" width="73" height="52">. Повторите эти измерения на частотах 316 Гц, 1 кГц, 3,16 кГц, 10 кГц, 31,6 кГц, 100 кГц, 316 кГц, 1МГц. На каждой частоте измеряйте новые значения напряжений U1 и U2 и вычисляйте Кu.
3.2.7 Снимите амплитудную характеристику (АХ) ОУ на низкой частоте. Для этого установите частоту сигнала генератора 1 кГц и изменяйте напряжение на генераторе.
Примечание. При измерении амплитудных характеристик в случае, если выходной сигнал синусоидального вида, форму которого нужно контролировать с помощью осциллографа, начинает ограничиваться, т. е. его амплитуда перестает расти при увеличении амплитуды входного сигнала, дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала не производить! ОУ может выйти из строя!
Каждый раз записывайте соответствующие пары входного и выходного напряжений. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости U2 = f (U1). Снимите амплитудную характеристику (АХ) ОУ на высокой частоте. Для этого установите частоту сигнала генератора 1 МГц и изменяйте напряжение на генераторе. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1).
3.2.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема неинвертирующего усилителя. Для этого получите на экране осциллографа неподвижное изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их.
3.2.9 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого установите напряжение генератора равное 10 мВ, отключите лабораторный макет от сети и в схеме замените резистор R2 другим с номиналом 20 кОм.
3.2.10 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично пункту 3.2.6.
3.2.11 Результаты измерений АЧХ в обоих случаях представить в виде графиков в двойном логарифмическом масштабе, где по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, а по оси ординат коэффициент усиления в дБ Ku = Ku (lg f ). Перевод в децибелы осуществляется по формуле:
https://pandia.ru/text/78/378/images/image025_29.jpg" width="364" height="196 src=">
Рисунок 16 – Схема инвертирующего усилителя.
Рисунок 17 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ инвертирующего усилителя.
3.3.3 Установите ручку регулятора напряжения генератора «» на нуль (в левое крайнее положение).
3.3.4 Включите измерительные приборы в сеть.
3.3.5 Ручкой регулятора напряжения установите «» на входе усилителя напряжение 100 мВ.
3.3.6 Снимите амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя, как в пункте 3.2.6.
3.3.7 На частотах 1 кГц и 1МГц снимите амплитудные характеристики (АХ) ОУ, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1).
3.3.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема инвертирующего усилителя. Для этого получите на экране осциллографа неподвижное изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их.
3.3.9 Выключите макет.
3.3.10 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого, установите напряжение генератора равное 10 мВ, а резистор R2 замените резистором с номиналом 20 кОм.
3.3.11 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично пункту 3.2.6, но при U1 = 10 мВ. Результаты измерений АЧХ представить в виде графика в двойном логарифмическом масштабе Ku = Ku (lg f ).
3.3.12 Выполните на частотах 1 кГц и 1 МГц измерения амплитудной характеристики инвертирующего усилителя, изменяя напряжение на генераторе, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представьте в виде графиков зависимости U2 = f (U1).
3.4 Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя
Для этого:
3.4.1 Убедитесь, что питание макета выключено.
3.4.2 Соберите схему, изображённую на рисунок 18.
3.4.3 Ручку регулятора напряжения генератора «» установите в левое крайнее положение и переведите генератор в режим генерации прямоугольных импульсов (тумблер в положении «https://pandia.ru/text/78/378/images/image029_25.jpg" width="362" height="190 src=">
Рисунок 18 – Схема ОУ с разделительным конденсатором на входе.
3.4.4 Подключите к входу усилителя генератор и 1-й канал осциллографа, а к выходу усилий канал осциллографа в соответствии со схемой, изображенной на рисунке Включите питание макета.
3.4.5 На частоте 100 кГц увеличивайте напряжение генератора. С помощью двухканального осциллографа наблюдайте за формой сигналов на входе и на выходе схемы. Напряжение генератора увеличивайте до тех пор, пока амплитуда сигнала на выходе перестанет зависеть от амплитуды сигнала на входе. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов. По осциллограмме выходного сигнала определите скорость нарастания выходного напряжения.
3.5 Измерение частотных характеристик максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.
Для этого:
3.5.1 Ручку регулятора напряжения генератора «» установите в левое крайнее положение и переведите генератор в режим генерации сигналов гармонического типа (тумблер в положении « ~ »).
3.5.2 Воспользуйтесь схемой, изображённой на рисунке 19.
3.5.3 Выполните измерения зависимости максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала U2max инвертирующего усилителя от частоты в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц..jpg" width="438" height="278">
Рисунок 19 – Схема для измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения и определения частотной зависимости максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала.
Итогом работы является набор амплитудно-частотных и амплитудных характеристик и осциллограмм, снятых для ОУ, работающего в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя при различных коэффициентах усиления, а так же частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала и результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя.
Отчет должен содержать:
Название и цель работы;
Краткую теорию;
Схемы исследуемых усилителей;
Графики амплитудно-частотных характеристик инвертирующего и неинвертирующего усилителей при различных коэффициентах усиления;
Графики амплитудных характеристик инвертирующего и неинвертирующего усилителей на низких и высоких частотах;
Осциллограммы входного и выходного сигналов инвертирующего и неинвертирующего усилителей;
Частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя;
Результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя;.
Выводы по выполненным исследованиям.
Графики выполняются на миллиметровой бумаге либо с помощью компьютера.
5 Контрольные вопросы
1) Определение операционного усилителя.
2) Схема и основные соотношения для неинвертирующего усилителя на ОУ.
3) Схема и основные соотношения для инвертирующего усилителя на ОУ.
4) Основные параметры и характеристики ОУ.
5) Понятие об идеальном ОУ.
6) Условия, при которых реальный ОУ можно считать идеальным.
7) Амплитудная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней.
8) Амплитудно-частотная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней.
9) Какими мерами можно обеспечить устойчивость работы ОУ с глубокой обратной связью.
10) Диаграммы Боде.
11) В чем заключаются достоинства ОУ, благодаря которым они широко применяются в радиоэлектронике.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1 Шило интегральные схемы. – М.: Сов. Радио, 1974. – 311 с.
2 Манаев радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: Сов. Радио, 1976. – 479 с.
3 Полупроводниковая схемотехнике.- М. Мир, 1982. – 512 с.
4 Искусство схемотехники. Т.1. - М. Мир, 1993. – 412 с.
5 Нефёдов радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: В. Ш., 2000 – 398 с.
Дополнительная:
6 Рубинштейн. практикум по ядерной электронике: метод. пособие. www. npi. msu. su/structinc/lib/books/nuc_el/p7.
7 Тогатов электроники: электронный учебник. Версия: 1. СПбГУ ИТМО. - de. *****/bk_netra/start. php? bn=36.
8 , Войшвилло усилители и их применение.
www. *****/cgibin/db. pl? cp=&page=Book&id=14464&lang=Ru&blang=ru&list=83.
9 Общие сведения об операционных усилителях. - *****/main/rc/?ou01
Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряжения от входного. График амплитудной характеристики строится в линейном масштабе, рис.2.6.
Рис.2.6. Амплитудная характеристика.
Угол наклона амплитудной характеристики зависит от коэффициента усиления и определяется =arctgК . В рабочей области входных напряжений она обычно прямолинейна. При больших значениях амплитудная характеристика искривляется из-за перегрузки усилительного элемента, при малых значениях она отклоняется вследствие наличия собственных помех усилителя. Обычно сигнал, поступающий на усилитель, не остается неизменным, а меняется от U с min до U с max .
Отношение U с max /U с min =Д с называется динамическим диапазоном сигнала, который часто задается в децибелах
Д сдБ =20lgU с max /U с min (2.16)
Из амплитудной характеристики видно, что усилитель может усиливать сигнал при U с > U вх min и U с < U в xmax .
Отношение U вх max /U вх min =Д у есть динамический диапазон усилителя. Для безыскаженного усиления должно быть удовлетворено следующее соотношение Д у >Д с .
Собственные помехи U n состоят из нескольких составляющих: наводки, фон и внутренние шумы.
Наводками называют посторонние шумы напряжения, наводимые на цепи усилителя соседними приборами. Устранение наводок достигается экранированием.
Фоном называют напряжение в выходной цепи усилителя с частотой, кратной частоте сети переменного тока, питающей усилитель. Для устранения фона необходимо улучшить сглаживание напряжения источника питания с помощью стабилизаторов напряжения. Внутренние шумы рассмотрены в последней лекции.
Коэффициент полезного действия
Этот коэффициент равен отношению мощности на выходе усилителя к мощности, отдаваемой источником энергии с напряжением E: η = Pвых/Po, где Po = E·I0 (I0 постоянная составляющая тока).
5 . Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.
Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.
Uвых = U1 - U2
На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.
6. Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:
Бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU=DUвых /D(U1 - U2) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);
Нулевое напряжение смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
Нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);
Нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);
Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
Мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).
Типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя
7. Основные схемы включения операционного усилителя:
1.Дифференциальное включение
2.Инвертирующее включение
3.Неинвертирующее включение
На рис. 4 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства а) идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношение между входным напряжением U1 и напряжением Up между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4:
Up = U1R4/(R3+R4) (3)
Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной Un = Up, ток I1 определится соотношением:
I1 = (U2 - Up) / R1 (4)
Вследствие свойства c) идеального ОУ I1=I2. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:
Uвых = Up - I1R2 (5)
Подставив (3) и (4) в (5), получим:
(6)
При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,
Uвых = (U1 - U2)R2 / R1 (7)
8. При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5).
Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ
Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.
Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I1 = U2 / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а) идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.
9. Неинвертирующее включение
При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6) U2 = 0, R3 = 0, R4 бесконечно велико. Получим:
Рис. 6. Неинвертирующее включение ОУ
Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.
10. Внутренняя структура операционных усилителей
Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:
высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;
малым напряжением смещения нуля;
малыми входными токами;
высоким входным и низким выходным сопротивлением;
высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);
Операционный усилитель должен быть усилителем постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления напряжения. Как будет показано ниже, с ростом числа каскадов усиления напряжения увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ с обратными связями и усложняются цепи коррекции. Даже усилители с тремя каскадами усиления напряжения (например, 140УД2, 153УД1, 551УД1) имеют сложные схемы включения, и разработчики стараются их не применять. Это вызывает необходимость применения усилительных каскадов с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Большие трудности проектирования усилителей постоянного тока связаны также со смещением нуля ОУ.
Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение не равно нулю. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, как такое дифференциальное напряжение, которое нужно приложить ко входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было бы равно нулю. Смещение нуля по сути является аддитивной погрешностью выполнения математических действий ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временнoй дрейфы. Операционные усилители на дискретных транзисторах имели неудовлетворительное смещение нуля, связанное с неидентичностью транзисторов. Только применение и усовершенствование интегральной технологии, позволившей изготавливать парные транзисторы дифференциального каскада в едином производственном цикле и на расстоянии несколько микрон друг от друга, привело к существенному снижению смещения нуля и дрейфов.
Блок-схема операционного усилителя, в большой мере удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к ОУ, приведена на рис. 7.
Рис. 7. Блок-схема ОУ
11. Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R к и R э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временнa я стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало , схема которого показана на рис. 9.
Рис. 9. Схема токового зеркала
При таком включении U кэ =U бэ >U кэ.нас. Следовательно, транзистор VТ 1 ненасыщен. Поскольку U бэ1 =U бэ2 , то при хорошо согласованных по параметрам транзисторах I б1 =I б2 =I б и I к1 =I к2 =B Iб, где B - статический коэффициент передачи тока. При этом
I вх = BI б +2I б и I вых = BI б
I вых = BI вх /(B+2) I вх
Токовое зеркало - генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало – это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. "Копируемый" ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало – это просто идеальный инвертируюший операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока.Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемахблагодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.
Есть три основные характеристики, которые характеризуют текущее зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока. Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация – это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме.
Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли); иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией.Практически ток может изменяться приблизительно на 25 % в диапазоне устойчивой работы схемы. широко используют при проектировании интегральных схем
Эффект Миллера - увеличение эквивалентной ёмкости инвертирующего усилительного элемента, обусловленное обратной связью с выхода на вход данного элемента при его выключении. Эффект наиболее явно проявляется в усилителях напряжения, построенных на радиолампах, на биполярных и полевых транзисторах, микросхемах.
Так при коэффициенте усиления по напряжению эффективная электрическая ёмкость, приведённая к взаимной ёмкости между входом и шиной питания, увеличится при включении в раз.
Эффект Миллера в биполярных транзисторах, в схемах с общим эмиттером, где напряжение усиливается в β раз, приводит к значительному увеличению эффективной ёмкости между базой и коллектором (ёмкость Миллера). При этом ухудшаются динамические свойства каскада. Например, для каскада на входе, транзистор сложнее выключить, чем включить. Появляется нагрузочная нелинейность. В радиотехнике увеличивается влияние на предыдущие каскады. В быстродействующих импульсных схемах эффект Миллера может приводить к появлению сквозных токов.
Эффект Миллера может быть значительно ослаблен схемотехническими модификациями. Например, каскодный способ включения транзисторов позволяет значительно уменьшить эффект Миллера. В импульсных и силовых схемах для подавления эффекта используется ряд других способов (схема Бейкера, форсирующая RC-цепь и др).
12. Стандартная схема операционного усилителя
Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ mА741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рис. 10.
Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p транзисторах Т 1 и Т 2 . В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на n-p-n транзисторах Т 3 и Т 4 . Для выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее соотношение:
I д = I к2 -I к1
Рис. 10. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ mА741
Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.
Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе Т 9 . В некоторых ОУ (например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности, потребляемый им ток.
Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе Т 6 . Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе Т 10 . Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе Т 5 . Конденсатор С к обеспечивает операционному усилителю частотную характеристику вида, приведенного на рис. 3.
Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах Т 7 , Т 8 . Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.
13 . Линейные аналоговые вычислительные схемы на ОУ
Современные цифровые вычислительные машины позволяют с высокой точностью выполнять широкий круг математических операций с числами. Однако, в измерительных и управляющих системах величины, подлежащие обработке, как правило, представляют собой непрерывные сигналы, например, изменяющиеся значения электрического напряжения. В этих случаях приходится применять аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Такой подход оправдывает себя только тогда, когда требования к точности вычислений настолько высоки, что не могут быть обеспечены с помощью аналоговых вычислителей. Существующие аналоговые вычислители позволяют получить точность не свыше 0,1%. Ниже рассмотрены наиболее важные аналоговые вычислительные схемы на ОУ. Обычно мы будем полагать операционные усилители идеальными. При высоких требованиях к точности выполнения математических операций необходимо учитывать также свойства реальных усилителей.
АЧХ ОУ остается плоской только в небольшом диапазоне частот. Рис. 1.12, повторяющий рис. 8 на рис. 1.8,в, изображает АЧХ ОУ 741.
Рис. 1.12. Зависимость усиления дифференциального напряжения большого уровня при разомкнутой цепи обратной связи от частоты f(предоставлено фирмой Texas Instruments, Inc.).
Наиболее широко распространенной характеристикой АЧХ ОУ является произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот, иногда называемое шириной полосы частот единичного усиления, В1. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот (см. разд. 7.6.3) является частотой, на которой коэффициент усиления равен единице. Хотя В1 не приведена в технических характеристиках ОУ 741, но по характеристике на рис. 1.12 можно определить, что эта частота равна 1 МГц.
Пример 1.10
АЧХ ОУ 741 имеет плоский участок до 6 Гц, каково значение его коэффициента усиления на нижних частотах при разомкнутой цепи обратной связи?
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ
Входное напряжение ОУ может изменяться мгновенно в отличие от выходного. При подаче входного импульса напряжение на входе изменяется на несколько вольт почти мгновенно, тогда как выходное напряжение будет изменяться линейно от значения, имеющегося на выходе в момент подачи импульса, до нового значения, соответствующего изменению входного напряжения. Скорость изменения dV/dt этого напряжения называется максимальной скоростью нарастания выходного напряжения. Оно связано с АЧХ усилителя. Чем выше частотный диапазон АЧХ, тем быстрее может изменяться выходное напряжение и тем выше его скорость нарастания.
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ 741 (см. рис. 1.8) равна 0,5 В/мкс. На рис. 1.13,а изображен отклик 741 на 10-В скачок напряжения, а на рис. 11.13,6 показана схема для определения максимальной скорости нарастания напряжения. Это повторитель напряжения. Из рис. 1.13,а видно, что в ответ на положительный перепад выходное напряжение скачком изменяется на 2 В и затем нарастает по наклонной, но при отрицательном перепаде оно все время имеет наклонную форму.
Рис. 1.13. Характеристика (а) и тестовая схема определения (б) максимальной скорости нарастания выходного напряжения
Пример 1.11
По отрицательному перепаду, показанному на рис. 1.13,а, определить максимальную скорость нарастания напряжения ОУ 741.
Дрейф параметров ОУ
Другие типы ОУ
ОУ 741 является ОУ на биполярных плоскостных транзисторах. Все схемы, рассмотренные в этом разделе в качестве примера, были построены на этом ОУ, так как он реально доступен и очень широко используется как основной ОУ. Конечно, существует множество других ОУ, и читатель может выбрать по каталогам, поставляемым изготовителями, наиболее подходящий ОУ для конкретного применения.
TL080 является более новым и быстродействующим ОУ. Это комбинированный ОУ, выполненный на биполярных транзисторах, на его входе стоит полевой транзистор с управляющим /ш-переходом. В табл. 1.1 проведено сравнение параметров 741 и TL080. Так TL080, благодаря установке на входе полевого транзистора, имеет более высокое входное сопротивление и много меньшие токи смещения и сдвига. TL080 имеет также более высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот и большую максимальную скорость нарастания напряжения. Коэффициенты усиления и КОСС этих ИС сравнимы. TL080 является более качественным ОУ, но он дороже и не так доступен. Во многих случаях преимущества TL080 не имеют особого значения, и достаточно использовать 741.
Интеграторы и дифференциаторы
Схемы, рассмотренные в предыдущих разделах, содержали на входе и в цепях обратной связи только резисторы. Конденсаторы, включенные в эти цепи наряду с резисторами, позволяют разработчику создать другие полезные схемы, такие, как интеграторы, дифференциаторы и фильтры. Особенно большой интерес представляет интегратор, который служит основой аналоговых вычислительных машин (АВМ).
Интегратор на ОУ
Электронную интегрирующую цепь можно построить на основе ОУ (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Основная схема интегратора на ОУ.
Так как виртуальное заземление поддерживает на входе -IN потенциал заземления, запишем
(1.11)
где Vc - начальное напряжение на конденсаторе. Знак минус возникает за счет инверсии ОУ.
В (1.11) падение напряжения на конденсаторе V no сути то же самое, что и Vвых, поскольку одна обкладка конденсатора подключена ко входу -IN, виртуально заземленному.
Чтобы получить начальное напряжение на конденсаторе, следует зарядить конденсатор до требуемого напряжения и затем разомкнуть механический или электрический ключ, когда начинается интегрирование. Этот процесс иллюстрируется примером 1.12.
Пример 1.12
Для схемы на рис. 11.15, а определить Vвых как функцию времени, если ключ S1 разомкнут, a S2 в это же самое время замкнут.
Рис. 1.15. a-схема и 5-формы выходного напряжения к примеру 1.12.
Практический интегратор
В идеальном конденсаторе ток утечки отсутствует. Поэтому, если в интегрирующей схеме (рис. 1.14) используется идеальный конденсатор, постоянная составляющая от входа к выходу не передается. К сожалению, это означает, что схема будет интегрировать и напряжение смещения нуля и ток сдвига, и на выходе будет формироваться линейно-изменяющееся напряжение даже в отсутствие входного напряжения. В конечном итоге это линейно-нарастающее напряжение переведет ОУ в режим насыщения.
. 
Рис. 1.16. Интегратор с коррекцией ошибки постоянного тока
Примечание.Ключ S предназначен для периодической установки нулевого потенциала на обкладках С в отсутствие входного сигнала.
На рис. 1.16 приведена схема интегратора, которая дает три варианта минимизации влияния напряжения смещения нуля и токов сдвига. Ключ, который может быть или механическим, или электрическим, можно использовать для периодического разряда конденсатора, или установки начальных условий. Во многих схемах ключ замыкается для разряда конденсатора и установления начального напряжения на выходе, равным 0 В. Интегрирование начинается при разомкнутом ключе.
Резистор Rd иногда используется для уменьшения влияния напряжения смещения нуля. Без этого резистора постоянное выходное напряжение равно А0l V0S при наличии Rd в схеме оно становится равным V0S Rd /R1.
Пример 1.13
б.
1.17. Отклик интегратора на прямоугольные входные импульсы: а-вход; б-выход.
Схема интегратора с R = 10 кОм и С = 0,22 мкФ была испытана в лаборатории. Прямоугольные импульсы подавались на вход, а с выхода снимались сигналы треугольной формы (рис. 1.17). Если Rd не было включено в схему, выходной сигнал смещался до тех пор, пока его положительная или отрицательная вершина не достигала насыщения. Когда параллельно конденсатору включалось Rd = 1 МОм, становилось возможным удерживать выходное напряжение на границе выхода из режима насыщения.
Пример 1.14
Какова наименьшая частота интегрирования для только что рассмотренной схемы?
Поскольку Rd = 1 МОм и С=0,22 мкФ, то
Если требуется точное интегрирование, наименьшая частота интегрируемого сигнала должна быть равна полученному значению, умноженному на 10, т. е. 7,2 Гц. Точность этой схемы снижается на очень низких частотах.
Резистор Rs можно использовать для уменьшения влияний входных токов смещения и сдвига. Как и прежде, Rs должно быть равно параллельно включенным R1 и Rd. Однако, поскольку Rd имеет высокое значение, Rs можно брать равным R1. Этот выбор также справедлив, если Rd в схеме отсутствует.
Дифференциатор
ОУ можно также использовать для создания схем дифференциаторов, где выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения. Схема на рис. 1.18 является схемой идеального дифференциатора и описывается уравнениями:
Рис. 1.18. Дифференциатор на ОУ
Таким образом, выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения.
К сожалению, дифференцирующие схемы имеют большой коэффициент усиления на высоких частотах. Если синусоидальное колебание A sin со/ подается, например, на интегратор, выходное напряжение будет (-A/ω) cosωt. Это выходное напряжение уменьшается при увеличении частоты. Если та же самая синусоида подается на дифференциатор, то теперь выходное напряжение равно A ω cosω и возрастает при увеличении частоты. Так как дифференциатор усиливает высокочастотные сигналы, он чувствителен к шумам и колебаниям. Это является причиной, по которой интеграторам часто отдается предпочтение по сравнению с дифференциаторами.
В показано, что схемы дифференциаторов можно откорректировать таким образом, что они будут подавлять высокочастотные сигналы. На рис. 1.19 приведена схема дифференциатора с частотной коррекцией. Он дифференцирует частоты ниже f1, где
f1 = 1/(2πRс,C)
и интегрирует частоты выше f2, где f2 = 1/(2 πRCc).
Рис. 1.19. Дифференциатор с частотной Примечание: Тонкой линией изображена коррекцией (а) и его АЧХ (б) (©и АЧХ при разомкнутой цепи обратной связи, разрешение фирмы John Wiley & Sons, толстой-АЧХ дифференциатора.Inc.).
Значения f1 и f2 могут устанавливаться резисторами и конденсаторами схемы. Как правило, f2 выбирается равной или немного выше f1. Эта схема является стабильным дифференциатором для частот несколько выше f1.
Диаграмма Боде
Рис.19.1. Эквивалентная схема на ВЧ.
По этой эквивалентной схеме можно выразить амплитудно-частотную характеристику
(19.1)
где: f с частота среза (полюс), равная верхней граничной частоте
f c = 1/2pRC (19.2)
Из выражения (19.1) видно, что частотную характеристику такого каскада можно аппроксимировать двумя асимптотами, рис.19.2:
на нижних частотах, при f<
K(f) =K 0 ;
на высоких частотах, при f >> fc, f/fc>>1, K(f)= К 0 fc/f .
Рис. 19.2. Кусочно-линейная аппроксимация АЧХ (Диаграмма Боде)
Аппроксимированная АЧХ называется диаграммой Боде. В области высоких частот, т.е. f/f c >> 1 , коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз (декада) он уменьшается в 10 раз, т.е. на 20 дБ/дек.
Поскольку ОУ имеют большой собственный коэффициент усиления К ¢ » 10 5 , то частотная характеристика K(f) строится в двойном логарифмическом масштабе. Переход к логарифмической единице при рассмотрении многокаскадных усилителей упрощает построение общей АЧХ, так как общий коэффициент усиления определяется простым сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов. При построении фазовой характеристики используется кусочно-линейная или ступенчетая аппроксимация (рис.19.2.).
Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель состоящий из различных по структуре каскадов. Поэтому общую эквивалентную схему ОУ можно представить как эквивалентный генератор, нагруженный на несколько RC-цепей, рис.19.3.
Рис. 19.3. Эквивалентная схема операционного усилителя
Обычно число таких цепей соответствует числу каскадов. Частоты срезов (полюса) для данной эквивалентной схемы определяются:
(19.3)
Аппроксимированная АЧХ ОУ строится сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов, рис.19.4.
Пусть f c 1 =10 4 Гц, f c 2 =10 5 Гц, f c 3 =10 6 Гц
При частотах f
при f с2
Надо отметить, что рабочая область K(f) ОУ простирается до частоты единичного усиления f Т , на которой K(f)=1(К дБ= 0),
Так как операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с очень большим коэффициентом усиления, то вероятность его самовозбуждения при введении отрицательной обратной связи весьма велика. Поэтому для обеспечения устойчивости ОУ необходимо принимать специальные меры. Устойчивость ОУ оценивают с помощью логарифмических амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.
При построении АЧХ обычно используют логарифмический асштаб по обеим осям координат, т. е. коэффициент усиления Ыражается в децибелах. Используя формулы (4.42), (4.46) и полагая, что 2, легко построить АЧХ и ФЧХ для одного каскада. Для удобства анализа характеристики аппроксимируют в виде прямых (рис. 6.15).
АЧХ представляет собой горизонтальную линию на уровне . На частоте среза излом и при АЧХ представляет собой прямую с наклоном 20 дБ при изменении частоты в 10 раз, т. е. 20 дБ на декаду. Таким образом, скорость спада АЧХ, построенная для одного каскада при , равна .
Если оценивать скорость спада АЧХ с помощью октавы (из-менения частоты в два раза), то можно считать, что скорость спада АЧХ однокаскадного усилителя составляет (рис. 6.15, а).
Частота среза, соответствующая излому аппроксимированной АЧХ, приблизительно равна граничной частоте усиления в реальной АЧХ. Максимальная погрешность их равенства при аппроксимации АЧХ составляет 3 дБ.
Построенную с помощью выражения (4.46) ФЧХ (рис. ) также можно аппроксимировать в виде прямой, проведенной от точки до точки , в которой 90°. На частотах ФЧХ представляется горизонтальной прямой на уровне . При такой идеализации отклонение от реальной ФЧХ составляет не больше 5,7°.
Амплитудно-частотная характеристика многокаскадного усилителя строится путем суммирования АЧХ отдельных его каскадов и имеет несколько изломов, число которых соответствует количеству каскадов.
На рис. 6.16, а приведена АЧХ трехкаскадного усилителя, построенная путем суммирования АЧХ каскадов с частотами среза и коэффициентами усиления в области низких частот .
Фазочастотная характеристика многокаскадного усилителя (рис. 6.16, б) строится путем суммирования фазовых характеристик отдельных каскадов с построенной выше АЧХ.
Из рис. 6.16, а видно, что в диапазоне частот от до скорость спада АЧХ составляет , от до , а на участке от до сот - 60 дБ ( - частота единичного усиления).
Таким образом, каждый каскад увеличивает скорость спада АЧХ на .
Фазовый сдвиг на частоте составляет -45°, на частоте - 135° и на частоте - 225° (рис. 6.16, б).
При введении отрицательной обратной связи угол сдвига между выходным и входным напряжениями усилителя должен составлять 180°, если четырехполюсник обратной связи не имеет реактивных элементов, т. е. [см. формулу (2.34)].
При положительной обратной связи с учетом имеем .
Таким образом, чтобы за счет реактивных элементов усилителя отрицательная обратная связь стала положительной, дополнительный фазовый сдвиг должен составлять 180°.
Для обеспечения запаса устойчивости усилителя по фазе принимаем, что сдвиг нйне должен превышать 135°. Тогда можно считать, что область устойчивости работы многокаскадного усилителя, в частности ОУ, при введении отрицательной обратной связи определяется участком АЧХ со спадом , так как на частоте фазовый сдвиг составляет 135°.
При глубокой отрицательной обратной связи .
На рис. 6.16, а , выраженный в децибелах, может быть представлен прямыми 2 и 3, отражающими различную глубину обратной связи. В точках пересечения этих прямых с АЧХ усилителя без обратной связи А и Б имеем , т. е. именно в этих точках выполняется другое условие самовозбуждения усилителя
Таким образом, на частотах усилитель не самовозбуждается, так как, несмотря на выполнение условия (6.22), обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе. На частотах усилитель работает неустойчиво, так как могут выполняться оба условия самовозбуждения усилителя (6.22) и (2.34).
Для повышения устойчивости ОУ при введении глубокой отрицательной обратной связи проводится частотная коррекция АЧХ с помощью пассивных -цепей, включаемых в схему операционного усилителя. Корректирующие цепи изменяют АЧХ таким образом, что ее спад на всех частотах составляет (рис. 6.16, а). Наиболее просто осуществить коррекцию АЧХ, включив в схему ОУ конденсатор достаточно большой емкости так, чтобы постоянная времени корректирующей цепи превышала . Тогда АЧХ усилителя сдвинется влево, и точка, соответствующая ее частоте среза , будет определяться уже величиной емкости , а спад АЧХ составляет в диапазоне частот . Если частота больше частоты единичного усиления сот кор скорректированной АЧХ, то усилитель будет устойчив при любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих частот от 0 до . Недостаток такого способа коррекции состоит в том, что, обеспечив устойчивость усилителя, мы ограничим его полосу пропускания.
В настоящее время нашей промышленностью выпускаются ОУ общего применения, при разработке принципиальных схем которых учтено использование корректирующего конденсатора . ОУ, называемые усилителями с внутренней коррекцией, не требуют дополнительных корректирующих элементов и устойчивы любой глубине обратной связи во всем диапазоне рабочих Однако узкая полоса пропускания ограничивает применение с внутренней коррекцией.
Если необходимо усиливать сигналы высокой частоты, то используют ОУ с внешней коррекцией, когда усилитель имеет дополнительные внешние выводы для подключения корректирующих цепей.
Эти выводы позволяют выбрать оптимальную коррекцию АЧХ усилителя путем подключения к выводам коррекции навесных конденсаторов или -цепей. В спецификациях изготовителей ОУ обычно приводятся инструкции по применению цепей внешней коррекции.