ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Краткие теоретические сведения

Лабораторная работа №5

Исследование устройств на операционных усилителях

Цель работы: закрепить теоретические знания по операционным усилителям. Научиться моделировать схемы на основе операционных усилителей с помощью программ Electronic Workbench. Научиться измерять: входные токи, напряжение смещения, входное и выходное сопротивления, время нарастания выходного напряжения операционных усилителей.

Используемое оборудование и средства: Персональный компьютер, программа Electronic Workbench.

Методические указания: Работа выполняется студентами за 4 часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа и один низкоомный выход, с глубокой обратной связью. Они выполняются в виде интегральных микросхем и предназначены для построения на их основе разнообразных функциональных узлов электронной аппаратуры (разнообразных усилителей, интеграторов, фильтров, генераторов, коммутаторов и проч.)

ОУ в своём составе имеет входной каскад, каскад сдвига уровня напряжения и выходной каскад.

Входной каскад выполнен по схеме (рис .1), которая имеет два входа. Если обеспечить условие R1=R2 и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2,то выходное напряжение будет равно разности входных напряжений, умноженной на коэффициент усилителя К.

Каскад сдвига уровня напряжения выполнен по схеме эмиттерного повторителя и исключает из сигнала уровень постоянной составляющей. Этим исключается искажение входного сигнала в усилителе.

Выходной каскад обеспечивает выходные характеристики ОУ.

Параметры ОУ можно разделить на следующие группы.

Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:

· напряжение смещения нуля U_см , значение которого определяется неидентичностью напряжений U_бэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT;

· входной ток инверирующего I^-_вх и неинвертирующего входа I⁺_вх , а также средний I_вх.ср и разностный I_{вх.разн} входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока ΔI_{вх.разн} /ΔT;

· максимальное входное дифференциальное U_{вх.диф. мах} и синфазное U_{вх.сс. мах} напряжения;

· входное дифференциальное сопротивление R_вх.оу , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;

· входное синфазное сопротивление R_вх.сф. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

Передаточные параметры:

· коэффициент усиления по напряжению К_оу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу К_оу= U_вых/U_вх.диф ;

· коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_осс= К_оу/ К_оу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

· граничная частота f_гр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)^1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 граничная частота f_гр=10Гц;

· частота единичного усилия f₁ т. е. частота, при которой К_оу=1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 частота единичного усиления f₁=10⁶Гц. Граничная частота f_гр , частота единичного усиления f₁ и коэффициент усиления по напряжению К_оу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f₁= f_грК_оу .

· запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φ_зап , характеризует устойчивость ОУ. φ_зап =180⁰ – |φ₁|, где φ₁ – фазовый сдвиг на частоте f_1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 45⁰. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис.1.9 φ₁=90⁰, а φ_зап=90⁰.

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:

· выходное сопротивление R_вых ;

· максимальный выходной ток I_{вых.мах} , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки R_н.мин ;

· максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина U_{вых.мах}=( Е_п– 1,5)В, что составляет примерно - 10 В.

Переходные параметры:

· скорость нарастания выходного напряжения V_u.вых- максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;

· время установления выходного напряжения t_уст время за которое выходное напряжение достигает свое стационарное значение с заданной точностью.

В связи с тем, что К_оу достаточно велик (10⁵ – 10⁶), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи. При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т.п.

На схемах интегральные ОУ обозначаются, как показано на рис.5.2.

Рис.5.1 Входной каскад ОУ

Рис. 5.2. Обозначение ОУ

Основными параметрами ОУ являются:

Средний входной ток I_вх и разность входных токов D I_вх :

I_вх =(I₁+I₂)/2; DIвх = I₁-I₂, (1)

где I₁ и I₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов при отсутствии сигналов на входах ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами биполярных транзисторов, или токами утечки затворов полевых транзисторов, на которых выполнены входные каскады ОУ. Входные токи проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала и создают на нём падение напряжения. Это означает, что при отсутствии сигнала на входе ОУ имеется напряжение (U_вх ≠ 0), которое приводит к появлению выходного напряжения (U_вых ≠ 0).Чтобы избежать ошибки в работе ОУ это напряжение необходимо компенсировать.

Напряжение смещения U_см – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения U_см можно вычислить, зная выходное напряжение (U_вых) при отсутствии входного сигнала и коэффициент усиления (К):

U_см= U_вых/K (2)

Коэффициент усиления напряжения постоянного тока К₀ показывает во сколько раз усиливается входной сигнал. У идеального ОУ К₀ ®¥. Для реальных схем коэффициент усиления напряжения вычисляется по формуле:

К=-R_ос/R_вх , (3)

где R_ос и R_вх соответственно , сопротивление обратной связи и входное сопротивление. Входное сопротивление R_вх. Различают две составляющие R_вх:

а) входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между входом и “землёй” ):

R_вх.сф=DU_вх.сф/ΔI_вх.ср , (4)

где ΔU_вх.сф – приращение входного синфазного напряжения за счёт приращения среднего входного тока ΔI_вх.ср.

б) дифференциальное ( разностное) входное сопротивление:

R_{вх. диф} = ΔU_вх/ΔI_вх , (5)

где ΔU_вх – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI_вх – изменение входного тока. Обычно R_{вх. диф}=10 кОм…10 МОм.

Выходное сопротивление R_вых =20…2000 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения. Определяется временем за которое выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90%.

V = Uвых/t_у, (6)