Тема 6. Исследование линейных схем на операционных усилителях

Цель работы: Приобретение практических навыков использования операционных усилителей.

Теория и примеры выполнения задания.

Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление. Он почти всегда используется с внешней глубокой отрицательной обратной связью. ОУ является основным элементом УПИ ЭВМ, на базе которого строятся функциональные узлы, которые выполняют математические функции (операции): интегрирование, умножение, суммирование, воспроизведение нелинейных зависимостей и т. д. Стабильность технических характеристик, высокая надежность, низкая стоимость обеспечили универсальность применения ОУ.

Операционный усилитель является одним из самых распространенных элементов в автоматике, вычислительной, измерительной, импульсной технике, в связи и т. д.

Современный ОУ представляет собой микросхему высокой степени интеграции, является прецизионным элементом.

В настоящее время созданы и серийно выпускаются четыре основные группы операционных усилителей:

1. Прецизионные (измерительные), имеющие большой коэффициент усиления, малый уровень шумов, позволявшие строить схемы с погрешностью, не превышавшей десятых долей процента. Эти ОУ используют в ответственных узлах ВТ.

2. ОУ общего применения, имевшие погрешность до 1%, широко применяемые в устройствах автоматики и малоответственных узлах вычислительной техники.

3. Быстродействующие ОУ, работающие с повышенной скоростью нарастания выходного напряжения. Они предназначены для построения широкополосных усилителей и других специальных схем.

4. Микромощные ОУ, основной характеристикой которых является экономичность. Они предназначены, например, для работы в переносной аппаратуре.

Основные характеристики ОУ, влияющие на точность работы функциональных блоков: коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление и дрейф нуля выходного напряжения, частотные характеристики.

Коэффициент передачи по напряжению Ky. Для усилителя с одним входом Ky – отношение изменения (приращения) выходного напряжения U(t) ОУ к вызвавшему его изменению (приращению) дифференциального входного напряжения e(t), которое является разностью напряжений на инверсном e-(t) и неинверсном e+(t) входах ОУ. Если характеристика усилителя линейна, то можно считать

где ,

Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, находящийся в диапазоне 103..105.

Типичная зависимость выходного напряжения U(t) от входного e(t) (амплитудная характеристика) интегрального ОУ показана на рис. 6.1. На нем поясняется смысл напряжения смещения (eсм), представляющее собой собой дифференциальное входное напряжение , при котором входное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение eсм для ОУ, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет (1..10)мВ. У тех ОУ, входной каскад которых строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше: (30..100)мВ.

Рисунок 6.1 – Амплитудная характеристика операционного усилителя

Следует различать статический коэффициент Кус на нулевой частоте и динамический коэффициент Ку(р) на частотах, отличных от нуля.

Входное сопротивление ОУ (R_ВХ). Под входным сопротивлением ОУ rвх с одним входом понимают отношение напряжения, действующего на входе к входному току rвх = ec/iвх при заземленном втором входе ОУ.

У дифференциального усилителя различают входное сопротивление дифференциальному сигналу (rвх.диф.) и входное сопротивление синфазному сигналу (rвх.сф). Входное сопротивление дифференциальному сигналу – это отношение изменения напряжения между входами к изменению входного тока

где - разность напряжений на входах ОУ, называемая дифференциальным (разностным) входным каналом ОУ.

Полусумму напряжений называют синфазным входным сигналом. У интегральных ОУ величина rвх.диф находится в пределах 106 Ом, однако в случае установки полевых транзисторов может быть увеличена до 30 Мом.

Входное сопротивление синфазному сигналу определяется в соответствии с выражением

где - изменение входного тока, т.е. среднего арифметического значения токов инверсного и неинверсного входов. У интегральных усилителей rвх.сф на один – два порядка превышает rвх.диф.

Для идеального ОУ принимают . При этом входной ток равен нулю.

Выходное сопротивление ОУ (R_ВЫХ). Определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет величину, находящуюся в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен Ом.

Входные току ОУ (I_вх). Токи во входных цепях усилителя обусловлены базовыми токами смещения входных биполярных транзисторов или токами утечек затворов, если входной каскад построен на полевых транзисторах. Входные токи биполярных транзисторов имеют значения от 50нА до 5мкА. Полевые транзисторы имеют входные токи не более 1нА.

Дрейф нуля ОУ. Дрейфом нуля ОУ называют самопроизвольное изменение выходного напряжения при отсутствии или постоянном значении входного напряжения.

Основные причины возникновения дрейфа нуля: нестабиль­ность источников питания схемы, изменение метеорологиче­ских условий работы, наводки на схему от электростатиче­ских и электромагнитных полей, дрейф входных токов, раз­личного рода шумы и т.д.

В интегральных ОУ с дифференциальным входным каскадом причинами возникновения дрейфа нуля ОУ являются дрейф напряжения смещения и дрейф разности входных токов; эти характеристики показывают, как изменяется напряжение или ток при изменении температуры на 1ºС. Средний по диапазону тем­ператур дрейф напряжения смещения для интегральных ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно (5..20) мкВ/С. В ОУ, входные каскады которых по­строены на полевых транзисторах, дрейф напряжения смещения лежит в пределах 20..100 мкВ/С.

Дрейф входных токов определяется температурным дрейфом коэффициента передачи базового тока "β". Температурная за­висимость коэффициента "β" обусловлена изменением времени жизни неосновных носителей в базе. В ОУ с полевыми транзи­сторами входные токи на несколько порядков меньше, однако, их зависимости от температуры значительно сильнее.

Рассмотренные параметры ОУ, например, коэффициент уси­ления, входное сопротивление, смещение нуля, входные токи, температурный дрейф нуля, влияют на статическую точность блоков, в которых данный ОУ используется.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя па­раметрами: частотной полосой и скоростью изменения выходно­го сигнала.

Частотная полоса ОУ определяется, как правило, часто­той единичного усиления f, т.е. частотой, на которой коэф­фициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f ко­леблются от 0.5 до 30 МГц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ (υ) определяется при подаче на его вход импульса на­пряжения прямоугольной Формы. Для типовых интегральных ОУ максимальная скорость нарастания находятся в диапазоне (0.3...50) В/мкс.

Частотная коррекция ОУ осуществляется с помощью подключения конденсаторов и резисторов к соответствующим за­жимам ОУ. Назначение частотной коррекции - предотвратить автоколебания выходного сигнала при охвате усилителя цепью отрицательной обратной связи (ООС). Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные на основе МОП-конденсаторов.