Инвертирующий усилитель

Содержание отчета

1. Принципиальные электрические схемы собираемых устройств и расчеты номиналов элементов схем.

2. Входные и выходные осциллограммы, результаты измеренных параметров.

3. График зависимости коэффициента усиления от частоты, с указанием граничной частоты.

4. Выводы и заметки по проделанной работе.

Приложение 9.1.

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 К₀, малыми входными токами I_вх, большим входным сопротивлением R_вх, малым выходным сопротивлением R_вых, достаточно большой граничной частотой усиления f_гр, малым смещением нуля U_см. Под большими и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах можно считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Для идеального ОУ К₀ = ∞; I_вх = 0; R_вх = ∞; R_вых = 0; f_гр = ∞; U_см = 0.

Рис.9.3. Упрощенная принципиальная схема ОУ

Основное назначение операционного усилителя - построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, 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.

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^-9 А до 10^-12 A). 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.

Операционные усилители обычно питаются от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжение +U_п, -U_п относительно нулевого провода ("земли").

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 U_вых под влиянием шумов, наводок, температурных уходов будет принимать значения, близкие к напряжению источников питания (режим насыщения выходного каскада). Основной причиной, по которой К₀ делают большим, является обеспечение высокой стабильности параметров при глубокой ООС. Примеры схемных обозначений ОУ приведены на рис. 9.4.

Рис.9.4. Условно-графические обозначения: а, б) по ГОСТу (NC - коррекция нуля); в, г) устаревшее обозначение, а также обозначение зарубежных производителей ОУ.

1. 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 напряжению сигнал (току) при отсутствии ОС. 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 апроксимируется диаграммой Боде (рис.9.5а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг до 90° на граничной частоте, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис.9.5а) 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 К₀*β ≥ 1, где β - коэффициент ОС, то отрицательная ОС превращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

Рис.9.5. 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. Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (R_вх) определяется как отношение ∆U_вх/∆I_вх 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 R_вх на низких частотах для биполярных входов – 10⁴ ÷ 10⁸ Ом, для полевых - 10⁷ ÷ 10¹² Ом.

Выходное сопротивление (R_вых) - это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение U_хх/I_кз (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 (I_вх) – это ток, протекающий во входную цепь ОУ, который необходим для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых - ток утечки затвора). Под Iвх подразумевают среднее арифметическое двух токов I_вх+ и I_вх-. Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких пределах: для биполярных входных транзисторов - 10^-5 ÷ 10^-8 А, для полевых - 10^-9 ÷ 10^-12 А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения I_вх.

Напряжение смещения (U_см) определяется как разность напряжений на входах, при котором U_вых = 0 при оговоренных сопротивлениях резисторов, подключаемых ко входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют э.д.с. смещения (Е_см). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе U_см зависит в основном от разброса напряжений ∆U_эб эмиттерно-базовых переходов и составляет 1÷10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе U_см 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 рав-ные 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 U_выx= U_cм*K₀ ~ 10^-2*10⁵ = 1000В >> Е_пит. 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. Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и балансируются по входу.

Частота единичного усиления (f₁) - это частота, на которой |K₀(f₁)| = 1. Характерная зависимость коэффициента усиления от частоты приведена на рис.9.5а и 9.6, где ЛАХ пересекает уровень 0 дБ в точках f₁.

Граничная частота (f_rp) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 децибела: |K(f₁)| = 0.707*|К(0)|. Область частот 0 ÷f_rp называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу пропускания.

Рис.9.6. Зависимость коэффициента усиления от частоты.

Максимальный выходной ток (I_вых.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 1-1500 мА. Для специализированных ОУ выходной ток достигает нескольких Ампер.

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.

Приложение 9.2.

Рис.9.7. Инвертирующий усилитель

Потенциал на неинвертирующем входе U_В = 0. Так как ОУ находится в линейном режиме, U_В - U_А = U_вых/К₀. Например, при U_вых ~ 5 В, К₀ ~2*10⁵ получаем UА ~ 25 мкВ. Такое малое напряжение (оно сравнимо с величиной термо-э.д.с. при ∆Т~1°С) даже невозможно измерить обычным цифровым вольтметром. Отсюда следует, что потенциалы на входах ОУ можно с хорошей точностью считать равными. Если один из входов ОУ заземлить, на втором входе будет также поддерживаться нулевой потенциал, хотя напрямую входы ОУ гальванически не связаны. Этот эффект называется виртуальным или мнимым заземлением.

Таким образом, из U_В = 0 следует U_А = 0, U_вх− U_A = U_вх (падение напряжения на R1); (падение напряжения на R2). Поскольку входной ток ОУ очень мал (I_вх-<<I₁), им можно пренебречь, тогда получим:

Для минимизации влияния токов смещения вход "+" заземляется через резистор R₃ ≈R₁…R₂.

Дата добавления: 2015-05-06