Методические указания к работе

1. Общие сведения

Операционным называется усилитель, с помощью которого можно решать операторные уравнения и выполнять различные математические операции с входными сигналами. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока на интегральных микросхемах с большом коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. ОУ выполняется на основе диффе­ренциальных каскадов и эмиттерных повторителей, имеет обычно инвертирующий (И-вход) и неинвертирующий (Н-вход) входы и один выход.

На рис.1 представлена структурная схема ОУ. Дифференциальный усилитель (ДУ) является главным функциональным блоком ОУ. Ос­новным его назначением является усиление разности входных сигна­лов и подавление одинаковых (синфазных) сигналов. Усилитель амплитуды сигнала (УА) обычно осуществляет сдвиг уровня и формирова­ние выходного сигнала. Эмиттерный повторитель (ЭП) обеспечивает низкое выходное сопротивление ОУ.

На рис.2 приведены условные изображения операционных усилителей. Старое (рис.2а), которое можно встретить в учебниках, инфор­мационных и проектных материалах и новое (рис.26), принятое в настоящее время.

 

2. Основные характеристики ОУ

2.1.Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Коэффициент усиления дифференциального сигнала А_D (В/мВ) равен отношению выходного напряжения к разности входных,сигналов подаваемых на входы усилителя при разомкнутой внешней обратной связи. Величина А_D зависит от типа усилителя и может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч. Коэффициент усиления оп­ределяет проходную характеристику усилителя в ее линейной части (рис.3). При некотором значении входного сиг­нала выходной сигнал достигает предельного значения, наступает насыщение ОУ. Напряжение насыщения обычно меньше напряжения пи­тания на (1 2) В, при значении питающего напряжения 15.

 

 

 

Коэффициент усиления зависит от частоты входного сигнала (рис.4) и уменьшается с увеличением частоты. Поэтому для каждого усилителя существует предельная частота, выше которой его свойс­тва существенно изменяются (f_пред. 100КГц).

2.2. Напряжение смещения ОУ U_см. (мВ)

Под напряжением смещения понимают постоянное напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Наличие напряжения смещения нуля проявляется в том, что даже при заземленных входах ОУ на выходе усилителя появляется некоторое напряжение, определяемое несимметричностью дифференциальных каскадов, разбросом параметров элементов схемы и их изменением с изменением температуры. Это напряжение перес­читывается на вход ОУ через коэффициент усиления схемы по напря­жению во входное напряжение смещения нуля (+ U_СМ или - U_СМ). Обычно U_СМ не превышает 10 мВ (за исключением тех ОУ, входной каскад которых выполнен на полевых транзисторах) и может быть скомпенсировано балансировкой нуля. Однако при изменении напря­жения питания и температуры U_СМ также изменяется.

2.3. Входное сопротивление ОУ R_ВХ (КОм)

Входное сопротивление ОУ определяется входным сопротивлением транзисторов дифференциального каскада. Его стремятся сделать как можно больше, чтобы исключить влияние сопротивления источни­ка питания на коэффициент передачи. В реальных ОУ входное сопро­тивление составляет 50…5000 КОм.

2.4. Входные токи I_ВХ1 и I_ВХ2 и их разность I_ВХ.

Входное сопротивление ОУ по каждому входу не равно бесконечности, что приводят к появлению токов I_ВХ1 и I_ВХ2. Величина этих токов зависит от типа ОУ и может быть в пределах (0,001 5) мкА. Из-за неполной симметрии дифференциального усилителя и различных коэффициентов усиления транзисторов указанные токи могут отли­чаться друг от друга. Разность токов I_ВХ создает ложный сиг­нал на выходе, который накладываясь на полезный сигнал, приводит к появлению погрешности.

2.5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала

Косс (ДБ)

где А_D1 и А_D2 - коэффициенты усиления по входам ОУ. Желательно,

чтобы К

Косс = 20 - логарифмическая форма К, ДБ. Для реаль­ных усилителей

Косс = 50 110 ДБ.

2.6. Выходные параметры

К выходным параметрам относятся:

1. Выходное сопротивление R_ВЫХ. Желательно, чтобы R_ВЫХ = 0, однако практически оно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен 0м.

2. Минимальное сопротивление нагрузки R_н.min и максимальный выходной ток I_вых.max. определяется при заданном напряжении питания допустимым перегревом выходного каскада.

3. Предельное значение выходного напряжения U_вых.max (В), которое определяется допустимыми искажениями выходного сигнала, и зависит от напряжения источника питания и типа ОУ.

2.7. Предельные параметры

1. Напряжение питания, которое должно быть стабильным. Большинство ОУ имеют Е_П = 15 В.

2. Допустимое дифференциальное входное напряжение. Допустимое напряжение между входами зависит от типа ОУ. Превышение заданного максимума может привести к ухудшению характеристик и даже к разрушению ОУ.

3. Предельное значение синфазного сигнала U_{вх.синф.доп.} (В). Превышение напряжений на входе выше допустимых приводит к разрушению ОУ. Обычно U_{вх.синф.доп.} не превышает напряжение питания.

3.Использование ОУ в качестве решающих усилителей (РУ)

Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различных вариантов внешних обратных связей между выходами ОУ и его входами. Обратная связь в этих схемах осуществляется в зависимости от характера операции через линейные или нелинейные сопротив­ления. Связь между выходами ОУ и Н-входами называется положительной обратной связью (ПОС), связь между выходами ОУ и Н-входами – отрицательной обратной связью (ООС).

ОУ может быть представлен с достаточной степенью точности в виде идеального усилителя (А_D , i_{ВХ ,} R_ВЫХ = 0). Это дает основание сформулировать два важнейших правила, чрезвы­чайно упрощающие анализ любой схемы.

1. Входы ОУ ток не потребляют.

2. ОУ "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжении между входами становится равной U_ВЫХ / А_D .

Рассмотрим принцип действия РУ (рис. 5). Т. к. потенциал точки В равен потенциалу земли, то потенциал точки А также равен потенциалу земли, т.е. I₂ ×Z₂ = U_ВЫХ; I₁×Z₁ = U_ВХ. Согласно правилу 1: I₁ = - I₂. Тогда U_ВХ / Z₁ = -U_ВЫХ / Z₂. Знаком минус учитываются противоположные знаки U_ВХ и U_ВЫХ.

U_ВЫХ = – U_ВХ× = – К_u× U_ВХ

где К_u - коэффициент передачи (усиление) РУ. В зависимости от вида коэффициента передачи различают следующие основные виды РУ: масштабный усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор и усилитель в качестве корректируемого звена. В схеме масштабного усилителя (рис.5) и сумматора (рис.6) в качестве Z₁ и Z₂используются активные сопротивления. Схема рис.5 позволяет в зависимости от величины сопротивлений R₁ и R₂ производить инвертирование сигнала (К_u = -1), усиление или ослабление сигнала, а схема на рис.6 – суммирование нескольких сигналов.

Простейший интегратор изображен на рис.7. В цепи обратной связи ОУ используется конденсатор С. Т.к. I_ВХ = 0, то I_C = – I₁ = –U_ВХ / R₁.

Напряжение между входами ОУ равно нулю, поэтому U_ВЫХ = U_С. Учитывая, что U_С= , получим U_ВЫХ = . Переходя к определенному интегралу, окончательно получим

Выходное напряжение U_ВЫХ зависит от начального напряжения на конденсаторе U_ВЫХ(0). Как известно, у реального ОУ может наб­людаться сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, ко­торые заряжают конденсатор при отсутствии входного сигнала.

 

Что­бы исключить влияние этих факторов, параллельно c емкостью С вклю­чают резистор R₂ (рис.8) с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с землей (нулевой шинкой) через резистор R₃, величина которого определяется по выражению:

Подключение резистора R₂ ведет к ослаблению интегрирующих свойств схемы при частотах <1 / R₂×С. Включение R₃ желательно во всех рассмотренных выше схемах РУ.

В дифференцирующем усилителе (рис.9) конденсатор С установ­лен во входной цепи. Поэтому изменение входного напряжения вызы­вает появление тока

I₁ = C(dU_ВХ / dt), а следовательно, выход­ного напряжения

U_ВЫХ = –R×C(dU_ВХ / dt).

Однако приведенная схема применяется редко из-за большой чувствительности к помехам. Устранить недостаток удается в схеме рис.10 с несколько худшими дифференцирующими свойствами вследствие введения в схему резистора R₁ и конденсатора С₂ с относительно малым соответственно сопротивлением и емкостью.

Для повышения стабильности и точности работы рассмотренных схем с реальными ОУ производят следующие основные мероприятия:

1. Включение корректирующих RС цепей для улучшения частотных свойств ОУ.

2. Установка нуля с помощью источника питания. Одна из возможных схем установки нуля приведена на рис.11. Она производится при наличии сопротивления обратной связи R₂ с помощью резистора R₄ с переменным сопротивлением.

3. Включение резистора между Н-входами и землей (например, см.рис.8)

4. Компараторы сигналов на ОУ.

Компаратор - устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых напряжении: входного (U_вх) и опорного (U_оп). Нап­ряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется до макси­мальной величины, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой. На рис.12а приведена одна из типовых схем компаратора, а на рис.12б - напряжения на входе и на выходе компарато­ра. На И-вход подается входное (измеряемое) напряжение U_вх., на Н-вход - опорное напряжение U_ОП. Причем принято, что U_ВХ - синусоидальное, U_ОП - постоянное.

Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ имеет место максимальное вы­ходное напряжение U_вых.max., совпадающее по знаку с опорным.

Как только напряжение U_вх превысит U_ОП, выходное напряже­ние изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Таким образом, компаратор может служить преобразовате­лем напряжения U_вх любой формы в прямоугольное. К тому же осуществляется преобразование напряжения U_ОП в длительность импульса t_u. Если один из входов компаратора заземлить, то скачкообразное изменение выходного напряжения произойдет при пе­реходе входного напряжения через нулевое значение. Такое устройст­во называют нуль – индикатор. При использовании положительной обратной связи (ПОС) можно получить компаратор с релейной характеристикой (с гистерезисными свойствами), что расширяет возможность применения и повышает устойчивость работы компаратора. На рис.13а приведена схема компаратора со смещенной характеристикой (инвертирующий триггер Шмитта), а на рис.13б его передаточная (релейная) характеристика.

При отсутствии U_вх на инвертирующий вход ОУ поступает отрицательное напряжение, равное , при этом выходное напряжение U_вых имеет максимальное положительное значение, а на неинвертирующем входе имеет место положительное нап­ряжение . Для переключения схемы необходимо повысить входное напряжение (U_вх.ср.) до положительного значения, при котором U₁ U₂. Это напряжение можно найти в виде суммы двух слагаемых, используя метод наложения. Одно из них - это входное напряжение, при котором U₁ становится равным нулю. , а второе - это величина, на которую нужно поднять дополнительно U_вх, чтобы U₁ достигло имеюще­гося на неинвертирующем входе напряжения U₂.

 

Откуда:

 

Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение U_вх должно снизиться до значения

При этом ширина характеристики (петли) определяется выражением

 

5.
.. Программа работ и методическое указания к ее выполнению.

5.1. Подготовка к работе.

5.1.1. Ознакомиться с органами управления комплекта лаборатор­ного оборудования по электронной технике, используемого при вы­полнения данной лабораторной работы. Исследуемые схемы на основе операционного усилителя (серии КР140УД8А) приведены на рис.1б, а схема компаратора приведена на рис. 17 (микросхема К554СА2). Все схемы смонтированы на сменных печатных платах, закрепленных на кассетах, которые вставляются во входной разъем на передней па­нели БУК и крепятся двумя винтами.

5.1.2. Нажать кнопку "Сеть" БУК, генератора сигналов и мультиметра, а также кнопку питания ± 15В..

5.1.3. Проверить, что все кнопки БУК находятся в положении "не нажато",

5.2. Исследование схемы масштабного усилителя

Используется УС9.

5.2.1. Выставить "ноль" усилителя (микросхема ДА1, рис. 16) для чего:

- ручки " " - для грубой и точной регулировки амплитуды вы­ходного напряжения ГН1 установить в крайнее левое положение;

вход "- V " мультиметра для измерения постоянного напряжения подключить к гнезду "Выход V~ " БУК, а "Вход ГС1" соединить с гнездом "ХS 11" сменного устройства, нажать кнопку "ГС1" и кноп­ку "ВСв ВНк" ГН 1.

- переменным резистором R6 - установить на выходе микросхемы нап­ряжение (0 ± 10) МВ, закоротив на корпус второй вход микросхемы (соединить гнезда "ХS 1 и ХS З"). Снять закоротку, вернуть в ис­ходное состояние кнопку "ВСв ВНк" ГН 1.

5.2.2. Снять зависимость , используя в ка­честве входного напряжения генератор постоянного напряжения "ГН1" для чего:

- регулируя напряжение источника "ГН1", установить на выходе МС ДА1 на-

пряжение +1 В;

-измерить входное напряжение МС ДА1, для чего подключить вход мультимет-

ра к гнезду " Выход V = " и нажать кнопку "ГН1". После снятия показаний

мультиметра увеличить входное напряжение источ­ника ГН1 в 2 раза, вновь

подключить вход мультиметра к гнезду "Выход \/~ " и измерить выходное на-

пряжение МС при новом значении входного. Аналогичным образом повторить

эксперимент, сняв пока­зания еще для 2-х - 3-х точек. По полученным данным

определить коэффициент передачи усилителя. Сравнить его с расчетным, опре-

деленным по параметрам схемы рис.16.

 

5.3. Исследование схемы суммирующего усилителя.

По методике изложенной в п.5.2.2., выставить входное напря­жение МС ДА1 от источника ГН1 равным - 1,0 В. Подключить затем второй вход МС ко второму источнику постоянного напряжения ГН2, установив перемычку между гнездом ХS 3 сменного устройства и вы­ходным гнездом ГН2 и нажав кнопку ВСв ВНк, расположенную под ре­гулировочными резисторами. Установить напряжение по второму вхо­ду - 1,5В, нажав кнопку ГН2. Подключить мультиметр к гнезду " Выход V ~" и измерить выходное напряжение МС. Сравнить это нап­ряжение с расчетным. Разобрать схему.

 

5.4. Исследование схемы интегратора

5.4.1. Подключить выход интегратора ДА2 (см. рис. 16) к гнезду "Выход V ~ ", нажав кнопку "Вх.2", и установить с помощью резистора R12 напряжение на выходе ДА2 равным (0 ± 10) мВ.

5.4.2. От генератора сигналов подать на гнездо "Вход ГС1" синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, гнездо "ГС1" БУК соединить с гнездом "ХS 4". Нажать кнопку "ВСв ВНк расположенную над гнез­дом "ГС1". Измерить частоту и амплитуду входного и выходного сиг­нала, нажимая соответственно кнопку "ГС1" или "ВХ2" (к гнезду "Выход V ~ " при этом подключен вход " Y " мультиметра).

5.4.3. Рассчитать выходной сигнал на измеренной частоте по выражению

U_ВЫХ. = U_ВХ. / 2 и сопоставить с измеренным.

5.4.4. Построить зависимость при неизменном значении амплитуды входного сигнала, изменяя частоту сигналов от 200 Гц до 1000 Гц.

 

5.4.5. На частоте 200 Гц подать на вход интегратора сигналы треугольной и прямоугольной формы, построить эпюры соответствую­щих входных и выходных сигналов.

 

5.5. Исследование схемы дифференцирующего усилителя

5.5.1. Подключить выход дифференцирующего усилителя (ДАЗ по рис.1б) к гнездам "Выход \/ ~ ", нажав кнопку "Вх 1", и установить на его выходе с помощью резистора R18 напряжение (0 ± 10) МВ.

5.5.2. Подать на вход дифференцирующего усилителя синусоидальный сигнал, соединив гнездо "ГС1" БУК с гнездом "ХS 5" сменного устройства. На частоте 1 кГц измерить параметры входного и вы­ходного сигналов, подключая поочередно вход мультиметра к вход­ной и выходной цепям (кнопки "ГС1" и "Вх.1" соответственно). Рассчитать амплитуду выходного сигнала по выражению U_ВЫХ.= U_ВХ×2 × ×f×R₁₉×C₄ и сопоставить с измеренным. Увеличить входную ем­кость в 2 раза, соединив гнезда "ХS 7" "ХS 9". Измерить U_ВЫХ. Сделать выводы.

5.5.3. Построить зависимость U_ВЫХ= при изменении частоты сигналов от 200 Гц до 1000 Гц и неизменной амплитуде вход­ного сигнала.

5.5.4. На частоте 200 Гц подать поочередно на вход дифференци­атора сигналы треугольной и прямоугольной формы, построить эпюры соответствующих входных и выходных сигналов.

5.6. Исследование схемы компаратора

5.6.1. Произвести замену сменного устройства (вместо УС9 пос­тавить УС8), затем подключить выход компаратора ДА1 (рис.17) к гнездам "Выход V ~ " нажав кнопку "Вх.2".

5.6.2. Задать на неинвертирующем входе с помощью потенциометров ГН2 положительное опорное напряжение, равное +1 В (измерение производить мультиметром на гнездах "Выход V = ", нажав кнопку "ГН2"), при этом левый потенциометр ГН1 установить в крайнее правое положение, а правый - в крайнее левое.

5.6.3. Подключить вход "Y " мультиметра к гнездам "ВыходV~ " и, плавно увеличивая правым потенциометром ГН1 напряжение на ин­вертирующем входе компаратора, зафиксировать его срабатывание. Измерить напряжение срабатывания на гнезде "Выход V ="), нажав кнопку ГН1.

Добиться возврата компаратора в исходное состояние, уменьшив входной сигнал. Измерить напряжение возврата, сделать выводы.

5.6.4. Исследовать компаратор со смещенной характеристикой, для чего:

5.
.. соединить перемычкой гнезда "XS 1" - "ХS 2", введя положительную обратную связь;

При этом же опорном напряжении вновь измерить напряжение срабатывания и напряжение возврата компаратора, сделать выводы. Снять перемычку.

5.6.5. Подать на неинвертирующий вход компаратора от генератора сигналов синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, соединив гнездо "ГС1" БУК с гнездом ХS1 сменного устройства и нажав кнопку ВСв ВНк расположенную над гнездом "ГС1". От генератора ГН1 за­дайте опорное напряжение на инвертирующем входе, равное +1 В, при этом опорное напряжение на неинвертирующем входе уменьшите до нуля, Увеличивая уровень входного сигнала, добейтесь появления на экране мультиметра положительных импульсов. Измерьте длительность этих импульсов. Нарисуйте эпюры входных и выходных сигналов.

6. Контрольные вопросы

1. Структурная схема ОУ.

2. Принцип действия дифференциального усилителя.

3. Основные характеристики ОУ.

4. Принцип действия масштабного усилителя и сумматора.

5. Принцип действия интегратора.

6. Принцип действия дифференцирующего усилителя.

7. Основные погрешности ОУ.

8. Принцип действия компаратора и его передаточная характеристика.

Нуль – индикатор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горбачев Н.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1968.

2. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1979.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983.