Исследование усилительных каскадов

НА ОУ

Методические указания к лабораторной работе №204

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ОУ - операционный усилитель,

ООС - отрицательная обратная связь,

КООС - коэффициент ослабления синфазного сигнала (Fs),

К - коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи,

Ê _– - êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ íà ÎÓ,

К₊ - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя на ОУ,

«–» - инвертирующий вход ОУ,

«+» - неинвертирующий вход ОУ,

R_вх.оу, R_вх.ус, - входное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,

R_вых.оу, R_вых.оу - выходное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно,

U_см - входное напряжение смещения ОУ,

J_см1,2  - токи смещения инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, соответственно,

J_р - разностный входной ток ОУ,

J_см - средний ток смещения ОУ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является:

1.   изучение основных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ;

2.   изучение схемотехники усилительных устройств на ОУ;

3.   выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на интегральных микросхемах.

2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Изучить основные параметры ОУ и методики их определения (подразделы 3.1, 3.2, Приложение 1).

2.2 Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертирующего, дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета (подразделы 3,2,4).

2.3 Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).

2.4 Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).

2.5 Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необходимые данные, кроме экспериментальных (раздел 5).

3. ÎÏÅÐÀÖÈÎÍÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=10⁴ ...10⁶), большое входное (R_вх=0.1...100 МОм) и малое выходное (R_вх=50...400 МОм) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...10³, но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает R_вх.ус и уменьшается R_вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо.

3.1. Основные параметры ОУ.

Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой группе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств:

1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К;

2) входное сопротивление R_вх.оу и входная емкость C_вх.оу;

3) выходное сопротивление R_вых.оу;

4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характеристика (АЧХ);

5) напряжение питания (обычно ±15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки.

Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий (вход«+»).

Рис. 3.1.

При подаче сигнала на вход «–» выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся:

1) входное напряжение смещения U_см;

2) входной ток смещения Jсм (входной ток по входу «–» - J_см1, входной ток по входу «+» - J_см2);

3) разность входных токов смещения J_р=J_см1–J_см2;

4) коэффициент ослабления синфазных сигналов F_sоу, характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно.

Входное напряжение смещения U_см определяется, как напряжение, которое требуется приложить между входами «–» и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем, чтобы обеспечить U_вых=0. В идеальном случае при нулевом дифференциальном входном напряжение на выходе ОУ напряжение U_вых=0, реально имеется U_вых¹0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального каскада. Когда обеспечено U_вых=0 путем подачи на вход усилителя Uсм, говорят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигналов как на вход «+», так и на вход «–».

ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транзисторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, управляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. Поэтому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протекания постоянных токов смещения J_см, в противном случае усилитель будет неработоспособен. Входной ток смещения J_см, приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения

J_см=(J_см1–J_см2)/2, (3.1)

отличие во входных токах смещения характеризуется справочными параметром

Jр.=Jсм1–Jсм2. (3.1а)

Влияние параметров U_см, J_см, J_р на работу усилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе.