Обработка экспериментальных данных

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка включает в свой состав два источника постоянного тока: с нерегулируемым напряжением (ИПТН) U=20 В и регулируемым напряжением (ИПТР) U = 0¼30 В, двухканальный электронный осциллограф (ЭО), цифровой вольтметр (ЦВ), генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), лабораторный макет (ЛМ) с расположенными на нем исследуемым операционным усилителем и наборами резисторов и конденсаторов с номинальными значениями параметров

R1=100 Ом С1=0,01 мкФ

R2=1 КОм С1=0,033 мкФ

R3=2 КОм С1=0,1 мкФ

R4=5 КОм

R5=10 КОм R_п=10 КОм

R6=100 КОм,

Рабочее задание

1 Ознакомиться с экспериментальной установкой. Закрепить макет на стенде.

2 Подключить макет к источнику постоянного тока с нерегулируемым напряжением U =20 В, соблюдая полярность, как показано на рисунке 5.1. При этом напряжения питания ОУ окажутся равными U_п = ± 9 В.

Рисунок 5.1

3 Определить напряжения насыщения ОУ U_нас+ и U_нас-. Для этого:

3.1 Соединить инвертирующий вход ОУ с источником постоянного тока с регулируемым напряжением (ИПТР), а неинвертирующий - с общей точкой (^) согласно рисунку 5.2,а.

а)	б)

Рисунок 5.2

3.2 Установить, контролируя вольтметром, входное напряжение U_вх=1 В. Измерить выходное напряжение ОУ U_вых=U_нас-.

3.3 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 5.2,б.

3.4 Подать на неинвертирующий вход ОУ напряжение U_вх=1В и измерить выходное напряжение U_вых=U_нас+.

4 Определить коэффициент усиления К_ОУ.

Используя цепь, изображенную на рисунке 5.2,б, уменьшать напряжение Uвх до тех пор, пока ОУ не выйдет из режима насыщения
(U_нас< U_нас+). После чего измерить входное U_вх и выходное U_вых напряжения ОУ.

5 Определить напряжение смещения ОУ U_см. Для этого:

5.1 Собрать неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К_н = 1+R6/R1 = 1001 в соответствии со схемой на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3

В качестве резистора использовать магазин сопротивлений со стенда, установив сопротивление R7=100 Ом.

5.2 Перевести регулятор сопротивления построечного резистора R_п в положение, близкое к крайнему левому так, чтобы усилитель не перешел в режим насыщения.

5.3 Измерить выходное напряжение усилителя U_выхu. Результат занести в таблицу 5.1.

6 Определить входной ток ОУ i_вх. Для этого:

6.1 Закоротить проводником резистор R7, в результате чего цепь примет вид, изображенный на рисунке 5.4.

6.2 Измерить выходное напряжение усилителя U_выхi и занести результат в таблицу 5.1

Таблица 5.1

Рисунок 5.4

7 Произвести балансировку (установку нуля) ОУ.

Используя электрическую цепь согласно рисунку 5.4, регулировкой подстроечного резистора R_п добиться наиболее близкого к нулю (независимо от полярности) значения выходного напряжения U_{вых б}. Зафиксировать данное значение.

8 Исследовать повторитель напряжения на основе ОУ.

Для этого:

8.1 Собрать электрическую цепь, схема которой изображена на рисунке 5.5.

8.2 Установить на выходе ИПТР U_вх = 1В и измерить выходное напряжение U_выхп. Повторить измерения для других значений U_вх (по указанию преподавателя) в диапазоне от U_нас- до U_нас+..

Результаты занести в таблицу 5.2.

Uвх, В           Uвых, В             Таблица 5.2

Рисунок 5.5

9 Определить скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_U.

Для этого:

9.1 Собрать электрическую цепь в соответствии с рисунком 5.6.

Рисунок 5.6

9.2 С помощью осциллографа ЭО, сигнальный вывод 1 канала которого подключен к неинвертирующему входу ОУ, установить амплитуду импульсов на выходе генератора ГПИ U_вхм = 5 В, а частоту f = 50 КГц.

9.3 По сигналу с выхода ОУ, подаваемому на 2 канал осциллографа, определить размах выходного напряжения DU = U_{вых max} - U_{вых min}, как разность между максимальным и минимальным значениями и интервал времени Dt, за который это изменение происходит.

9.4 Зарисовать осциллограммы входного u_вх (t) и выходного u_вых (t) напряжений.

10 Отключить питание ОУ. Разобрать электрическую цепь. Выключить приборы.

Обработка экспериментальных данных

1. Проанализировать напряжения насыщения ОУ, сравнив их между собой и с напряжениями питания ОУ.

2. По экспериментальным данным рассчитать реальный коэффициент усиления ОУ K_ОУр и сравнить с указанным в паспортных данных.

3. По экспериментальным данным таблицы 5.1 пользуясь методическими указаниями, определить реальное значение напряжения смещения ОУ U_смр и сравнить с указанным в паспортных данных.

4. По экспериментальным данным таблицы 5.1 и реальному значению напряжения смещения U_смр, пользуясь методическими указаниями, рассчитать реальное значение входного тока ОУ i_вхр и сравнить его с указанным в паспортных данных.

5. Проанализировать возможность балансировки ОУ с помощью типовой схемы регулировки нуля.

6. Проанализировать работу повторителя напряжения.

7. По экспериментальным данным определить реальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_U и сравнить ее с указанной в паспортных данных.

8. Сделать выводы.

Методические указания

Идеальным операционным усилителем (ОУ) называется дифференциальный усилитель постоянного тока, у которого:

а) бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания;

б) бесконечное входное и нулевое выходное сопротивления;

в) бесконечный коэффициент ослабления синфазных сигналов при допустимых уровнях входных сигналов;

г) нулевой шум;

д) нулевые сдвиг нуля, входные токи смещения, а также их дрейф при изменении температуры и времени.

Эти свойства даже теоретически полностью достигнуты быть не могут, поскольку большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры.

Поэтому современный ОУ представляет собой дифференциальный усилитель напряжения постоянного тока, имеющий в частотном диапазоне от нуля до нескольких сотен килогерц коэффициент усиления несколько десятков тысяч, с непосредственной связью между каскадами (без разделительных конденсаторов), высоким входным (несколько мегаом) и малым выходным (несколько десятков ом) сопротивлениями, с низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенных к ним напряжений, т.е. на дифференциальный сигнал.

Появление полупроводниковых ОУ в виде интегральных микросхем (ИМС), имеющих относительной низкую стоимость и высокие технические характеристики, привело к тому, что ОУ очень быстро стал наиболее широко применяемой, универсальной ИМС.

Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, один, два или три каскада усиления напряжения (причем входной каскад всегда выполняется по дифференциальной, параллельно–симметричной схеме), выходной каскад усиления тока (эмиттерный повторитель) и цепи согласования каскадов между собой.

При практическом применении ОУ важнее оказывается информация не о принципиальной , а об эквивалентной схеме и параметрах усилителя.

Эквивалентная схема ОУ для низких частот показана на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7

Входящие в эту схему суммирующие узлы (кружки, разделенные на секторы) предполагаются идеальными: их выходное напряжение равно сумме входных напряжений, взятых с соответствующим знаком (плюс, если сектор не зачернен, и минус, если сектор зачернен). Точно так же предполагаются идеальными масштабирующие звенья (обозначены треугольниками); их входные и выходные сопротивления, так же как и у суммирующих звеньев, равны соответственно бесконечности и нулю. Все напряжения в эквивалентной схеме отсчитываются относительно общего провода–земли.

Как видно из эквивалентной схемы, ОУ имеет два основных входа и один выход (именно так и обстоит дело в подавляющем большинстве интегральных ОУ, хотя в принципе могут быть и отличия от этого варианта). Один из входов усилителя называется инвертирующим (И-вход), а второй–неинвертирующим (Н-вход), они обозначаются соответственно знаками «^_» и «+». При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с уменьшением напряжения на инвертирующем входе (U_–)и с увеличением напряжения на неинвертирующем входе (U₊).

Разность напряжений на входах ОУ (U₊– U_–) называют дифференциальным (разностным) входным сигналом U_вх ОУ, а полусумму этих напряжений (U₊+ U_–)/2 – синфазным входным сигналом U_сф.

Параметры ОУ, которые характеризуют его качество, весьма многочисленны. Укажем основные из них.

Коэффициент усиления (К_ОУ)–отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

К_ОУ =DU_вых/DU_вх,

где U_вх=U₊– U_–. Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 10³–10⁶.

Основная реакция ОУ–усиление дифференциального сигнала, но имеется также отклик и на синфазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения

К_с=DU_вых/DU_сф.

Напряжение смещения (U_см)–дифференциальное входное напряжение (U₊– U_–), при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение U_см для ОУ, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, в зависимости от типа усилителя может составлять 3–10 мВ. У тех ОУ, в которых входной каскад строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30–100 мВ.

Типичная зависимость выходного напряжения от входного для интегрального ОУ показана на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8

На этом рисунке поясняется смысл параметров К_ОУ и U_см. На эквивалентной схеме (рисунок) 5.7 коэффициент усиления К_ОУ отражен в виде коэффициента передачи безынерционного звена, на вход которого подается разность входных сигналов U₊– U_–, а напряжение смещения U_см показано в виде дополнительного источника сигнала, суммируемого с напряжением U_– (поскольку U_см может иметь любую полярность, то в принципе безразлично, к какому сигналу, U_– или U₊, добавлять напряжение U_см.).

Средний входной ток (i_вх) – среднеарифметическое значение токов Н- и И-входов усилителя , измеренных при таком входном напряжении U_вх, при котором выходное напряжение U_вых равно нулю. На эквивалентной схеме рисунка 5.7 входные токи отражены в виде источников тока i_вх+ и i_вх–. Поскольку при изменении в допустимых пределах U_вх один из входных токов увеличивается, а другой практически на столько же уменьшается, то возможно осуществлять измерение i_вх в таком режиме, когда оба входа усилителя присоединены к земле. Средний входной ток интегральных усилителей с входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0,02–10 мкА. Такие малые значения i_вх обеспечиваются за счет работы входных транзисторов ОУ в режиме очень малых коллекторных токов. Дальнейшее снижение входных токов
(до 1 нА и меньше) достигается при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.

Разность входных токов (Di_вх) – абсолютное значение разности токов двух входов усилителя ïi_вх+– i_вх–ï, измеренных тогда, когда напряжение на выходе усилителя равно нулю. Этот разностный ток в значительной степени говорит о том, насколько велика несимметрия входного каскада ОУ. Если значение Di_вх близко к нулю, то влияние входных токов на выходное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к Н- и И-входам ОУ. Обычно Di_вх составляет 20–50% от i_вх.

Входное сопротивление (R_вх) – сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала, с тем, чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала. Входное сопротивление ОУ с биполярными транзисторами во входном каскаде может составлять 10³–10⁷ Ом и 10⁷–10⁹ Ом – в случае применения входного каскада на полевых транзисторах.

Входное сопротивление для синфазного сигнала (R_сф) – определяют как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего входного тока усилителя. Величина R_сф обычно на 1–2 порядка и более превышает величину R_вх.

На эквивалентной схеме рисунка 5.7 входное сопротивление R_вх показано в виде сопротивления, включенного между входами усилителя, а сопротивление R_сф – в виде двух сопротивлений, включенных параллельно источникам токов i_вх+ и i_вх–.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (М_сф) – отношение коэффициента усиления К_оу к коэффициенту передачи синфазного сигнала К_с:

,

но он может быть определен и по-другому: как отношение синфазного сигнала к вызванному этим сигналом изменению напряжения смещения усилителя. Часто употребляется логарифмическая мера для определения коэффициента ослабления синфазного сигнала

.

Обычно для интегральных ОУ L_сф=60¸100 дБ.

Тракт передачи синфазного сигнала на эквивалентной схеме
рисунка 5.7 показан в виде сумматора входных сигналов U₊ и U_– и безынерционного звена с коэффициентом передачи 0,5/М_сф, напряжение с выхода которого, равное обусловленному синфазным сигналом изменению напряжения смещения, подается через другой сумматор на вход основного усилительного звена.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания k_п – отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений DU_п (иногда влияние источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют раздельными коэффициентами влияния). Этот коэффициент чаще всего равен 2×10^–5–2×10^–4, что соответствует 20–200 мкВ/В.

Выходное сопротивление ОУ (R_вых) определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет обычно величину, лежащую в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен Ом.

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

Частотная полоса ОУ определяется, как правило, частотой единичного усиления f₁, т.е. частотой, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f₁ у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ (V_U) определяется как наибольшая скорость изменения напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход импульса максимального допустимого входного напряжения прямоугольной формы. Для интегральных ОУ максимальная скорость нарастания лежит обычно в диапазоне 0,3–50 В/мкс. Естественно, что значение V_U зависит от схемы включения операционного усилителя. В связи с этим следует иметь в виду, что приводимые в паспортных данных ОУ значения V_U, как правило, относятся к использованию его в схеме повторителя напряжения (т.е. при наибольших корректирующих емкостях). Так как наибольшая скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах:

U_вых£ V_U /(2pf).

Температура влияет на параметры усилителя, прежде всего в отношении изменения напряжения смещения и входных токов.

Средний по диапазону температур дрейф напряжения смещения для ИМС ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно 5–20 мкВ/К. Однако следует иметь в виду, что на краях температурного диапазона дрейф U_см может заметно отличаться от среднего значения.

Для усилителей, входные каскады которых построены на полевых или составных биполярных транзисторах, температурный дрейф напряжения смещения обычно лежит в диапазоне 20–100 мкВ/К.

Температурные изменения (дрейф) входных токов ОУ имеют различный характер в зависимости от типа транзисторов, использованных во входных каскадах. В ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах входной ток уменьшается при увеличении температуры (это объясняется тем, что коэффициент усиления транзисторов возрастает, в то время как коллекторный ток остается постоянным). При увеличении температуры от 20 до 125°С входной ток ОУ на биполярных транзисторах уменьшается почти в три раза и примерно во столько же раз возрастает при уменьшении температуры от 20 до –60°С. При 20°С относительный температурный коэффициент среднего входного тока таких ОУ составляет обычно (1–8)×10^–3К^–1.

В усилителях, входные каскады которых выполнены на полевых транзисторах, входной ток возрастает с увеличением температуры. В этом случае входной ток – это в основном ток запертого p-n перехода, который, как известно, возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10 К.

Температурное изменение разности входных токов носит такой же характер, как температурное изменение среднего входного тока: в ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах разность входных токов уменьшается с увеличением температуры, а в ОУ со входными каскадами на полевых транзисторах – возрастает. Вследствие неидентичности параметров транзисторов входного каскада разность входных токов ОУ может изменяться с относительным температурным коэффициентом, в 1,5–2 раза большим, чем относительный ТК среднего входного тока ОУ.

Температурный коэффициент коэффициента усиления ОУ может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от температуры и типа ОУ. В полном диапазоне допустимых температур окружающей среды коэффициент усиления ОУ изменяется обычно не более чем в 3–5 раз.

Шумовые свойства операционных усилителей характеризуют обычно приведенными ко входу шумовыми напряжениями и токами. На эквивалентной схеме рис. 1.2 источники шума – это источники входных токов i_вх+ и i_вх- и источник напряжения смещения U_см. Эти источники кроме постоянных сигналов, о которых говорилось выше, генерируют также и флуктуирующие шумовые сигналы. В действительности, конечно, шумы генерируются во всех каскадах ОУ, но на эквивалентной схеме удобно показывать отдельные эквивалентные источники шумов включенными во входную цепь.

Минимальное сопротивление нагрузки R_{н min} – приводится в паспортных данных ОУ, хотя не является одним из его параметров. Его значение определяется предельным выходным током при номинальном выходном напряжении. Для большинства ОУ предельными являются выходные
токи от 5 до 25 мА, хотя разработаны ИМС мощных ОУ с выходными токами до 1 А.

Классификация ОУ производится по ряду признаков

По технология производства ОУ (как и вообще ИМС) делятся на полупроводниковые (монолитные), гибридные и пленочные. Большинство ОУ изготовляется по полупроводниковой технологии, при которой все активные и пассивные компоненты схемы нескольких сотен усилителей выполняются на одной кремниевой пластине с помощью литографической техники с последующим делением тиража на отдельные кристаллы (чипы).

При гибридной технологии все резисторы и соединения изготавливаются на керамической подложке, затем на ней же монтируются бескорпусные биполярные или полевые транзисторы. Здесь могут размещаться конденсаторы и другие компоненты (диоды, стабилитроны и др.). Полученная таким образом композиция заключается в корпус с выводами. Эта технология используется для производства схем специального назначения, которые не удается реализовать в монолитной форме.

Пленочная технология предусматривает выполнение всех компонентов схемы на поверхности диэлектрика (обычно керамического) путем нанесения тонких пленок соответствующих материалов.

По схемотехническому исполнению ОУ подразделяются на устройства прямого усиления и с преобразованием спектра частот усиливаемого сигнала, основанного на преобразовании медленно изменяющегося напряжения в переменное напряжение определенной (основной) частоты с помощью прерывания сигнала (МДМ-усилители).

По использованию ОУ подразделяются на усилители общего и частного применения. Общего применения изготавливаются исключительно по полупроводниковой технологии, имеют низкую стоимость, широкий диапазон напряжений питания, защищенные от перегрузки вход и выход, небольшое число навесных (т.е. внешних) компонентов, иногда отсутствующих. Операционные усилители частного применения обычно превосходят первый вид по какому-либо параметру.

ОУ общего применения используются для построения узлов, имеющих суммарную приведенную погрешность порядка 1% и характеризуются средними значениями параметров (напряжение смещения–десятки милливольт, коэффициент усиления составляет десятки тысяч, температурный дрейф напряжения смещения–десятки микровольт на градус Цельсия, скорость нарастания выходного напряжения не более единиц вольт в микросекунду).

Большинство ИМС ОУ относятся к усилителям общего применения (140УД5-9, 153УД1-3, 553УД1-3 и другие).

ОУ частного применения делятся на:

–высокоточные (прецизионные), с малыми значениями напряжения смещения (U_см<250 мВ), температурного дрейфа (U_см£5 мкВ/°С), большим коэффициентом усиления (К_ОУ³15×10⁴).

Среди лучших ОУ типов 140УД17, 140УД21 140УД24, 140УД25, 140УД26, 544УД12, 1417УД3, 140УД13 (МДМ-усилитель).

–с малым входным током (i_вх<100пА). Среди таких ОУ с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, можно отметить ИМС ОУ 140УД23, 140УД24, 140УД28, 744УД1, 544УД1-6, 544УД10, 1409УД1, 1429УД1.

–микромощные, с малым током потребления (I_пот<1 мА).

Среди лучших типов ОУ–1423УД23, 1446УД2-4, 1446УД12-14, 544УД5, 544УД14, 140УД14.

–мощные, с большими допустимыми значениями выходного напряжения (u_вых>15 В) или выходного тока (i_вых>100 мА).

Лучшими по этим показателям являются ИМС ОУ 1422УД1 и 1440УД1, выходной ток которых может достигать 1000 мА, а также 1433УД1 с выходным напряжением до 300 В. Ряд ОУ обеспечивает одновременно и большие допустимые значения и выходного напряжения и выходного тока (например, 1408УД1 с i_вых£100 мА и u_{вых mах}= ±19 В);

–быстродействующие, со скоростью нарастания выходного напряжения V_U>30 В/мкс. Здесь вне конкуренции ИМС 6402УД1 с V_U=2000 В/мкс.
Ряд ОУ обеспечивают скорость нарастания не менее 1000 В/мкс. Это 1432УД1 и 1432УД4 (V_U=1000 В/мкс) и 1432УД6 (V_U=1200 В/мкс).

По виду преобразуемой величиныОУ подразделяются на усилители напряжения и усилители тока. Большинство ИМС ОУ–это именно усилители напряжения. К усилителям тока относятся так называемые токоразностные усилители (усилители Нортона) К1401УД1.

Следует иметь в виду, что ряд типов ОУ по своим характеристикам попадают сразу в несколько категорий. Это, например, ИМС 140УД23–быстродействующий, с малым входным током ОУ. Вне конкуренции 140УД24–сверхвысокочастотный, со сверхмалым входным током усилитель с МДП–транзисторами на входе, импульсной стабилизацией, внутренней частотной коррекцией, сверхнизким уровнем шума входного тока, с напряжением питания ±5 В.

Вспомогательные цепи ОУ представляют собой дополнительные цепи, непосредственно не влияющие на выполняемые им функции, но с помощью которых производится коррекция частотной характеристики усилителя, регулировка начального уровня выходного напряжения, защита от перегрузки входных и выходных цепей ОУ.

Частотная коррекция обычно осуществляется с помощью подключения конденсаторов и резисторов к соответствующим зажимам ОУ. Назначение частотной коррекции–исключить возникновение автоколебаний выходного сигнала при охвате усилителя цепью отрицательной обратной связи (ООС). Условие возникновения автоколебаний–наличие коэффициента усиления по замкнутому контуру (петлевого усиления), превышающего единицу на такой частоте, на которой сдвиг фаз по замкнутому контуру равен 2kp (k=0; 1; 2; ¼). Для введения отрицательной обратной связи часть выходного напряжения ОУ подают на его И–вход. Если считать, что делитель напряжения в цепи обратной связи не изменяет фазы сигнала, то причиной самовозбуждения является дополнительный сдвиг фазы на 180° в усилителе на частоте самовозбуждения при условии, что усиление на этой частоте больше величины, обратной коэффициенту передачи цепи ООС. Таким образом, на частоте самовозбуждения И–вход ОУ ведет себя как Н–вход, и наоборот.

Чем сложнее усилитель и чем выше его коэффициент усиления, тем более склонен он к самовозбуждению (самовозбуждение может возникать даже при отсутствии цепи ООС–за счет паразитных емкостей между входом и выходом).

Цепи коррекции снижают коэффициент усиления ОУ на той частоте, на которой сдвиг фаз в замкнутом контуре равен 360° (коррекция на отставание по фазе), или уменьшают сдвиг фаз на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы (коррекция на опережение по фазе).

Рекомендуемые для различных конкретныхОУ цепи коррекции обычно рассчитываются еще на стадии проектирования ОУ, и затем параметры этих цепей приводятся в руководствах по применению ОУ.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные, как правило, на основе МОП–конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Это, например, ОУ типов 140УД6, 140УД7, К140УД8, К544УД1. Наличие внутренней частотной коррекции является существенным достоинством при эксплуатации усилителя, хотя и не позволяет в полной мере использовать динамические свойства усилителя при больших значениях K_о.с (внутренняя коррекция рассчитана на введение глубокой ООС, вплоть до K_о.с=1).

Регулировка нуля.На работу цепей с ОУ отрицательное влияние может оказать смещение нулевого уровня выходного сигнала, вызванное напряжением смещения и входными токами ОУ. Для компенсации смещения обычно вводят в устройство цепь регулировки нуля (балансировки) ОУ.

Установка нуля в ОУ возможна в принципе двумя способами. Во-первых, можно подавать на вход ОУ небольшое регулируемое напряжение, которое подбирается из условия компенсации напряжения смещения усилителя и смещения, вызванного входными токами. Для получения такого регулируемого напряжения строят резистивные делители постоянного напряжения (обычно напряжения питания ОУ).

Но установлено, что температурный дрейф напряжения смещения усилителя пропорционально увеличивается при увеличении этого напряжения. Поэтому, если это возможно, предпочтительно не компенсировать его путем подачи дополнительного напряжения на вход ОУ, а производить регулировку симметрии внутри самого ОУ, действительно уменьшая напряжение смещения. Возможность такой регулировки предусмотрена почти во всех типах ОУ, за исключением ОУ первого поколения (1УТ401, 1УТ402). Схемы подключения резисторов, регулирующих нулевой уровень (симметрию ОУ), приводятся в справочных данных.

Составляющую дрейфа нуля ОУ, вызванную изменением входных токов, удается в значительной степени уменьшить, устанавливая равными сопротивления внешних цепей, присоединяемых к Н– и И– входам ОУ. Если бы входные токи по обоим входам ОУ (i_вх+ и i_вх–) были равны, то упомянутое равенство сопротивлений полностью исключало бы смещение нуля от входных токов. У реальных усилителей токи i_вх+ и i_вх–, как правило, несколько различаются, так что при равенстве сопротивлений внешних цепей смещение нуля и дрейф возникают вследствие наличия и изменения разности этих токов. Именно поэтому разностный входной ток входит в число основных параметров ОУ.

Для защиты от ошибочной перемены полярностей питающего напряжения в цепи питания ОУ можно включить диоды, а чтобы устранить высокочастотные помехи по шинам питания в непосредственной близости от соответствующих выводов ИМС ОУ располагают керамические конденсаторы С емкостью от 0,01 до 0,1 мкФ. Подключение защитных диодов и фильтрующих конденсаторов показано на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9

В лабораторной работе в качестве исследуемого используется ОУ 140 УД6А. Это ОУ общего применения, используется для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуется относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров:

- коэффициент усиления ОУ К_у,U = 70000;

- напряжение смещения ОУ U_см = 5 мВ;

- средний температурный дрейф напряжения смещения ;

- входной ток ОУ i_вх = 30 нА;

- разность входных токов Di_вх=10 нА;

- дрейф разности входных токов Di_вх/DТ = 0,1 нА/°С;

- входное сопротивление R_вхmin = 2МОм;

- предельные синфазные входные напряжения U_{вх.сф.max} = ±10 В;

- коэффициент ослабления синфазных входных напряжений L_сф = 80 дБ;

- предельное дифференциальное входное напряжение U_{вх.диф.max} = ±20 В;

- максимальное выходное напряжение U_вых.max = ±11 В;

- выходное сопротивление R_вых = 150 Ом;

- частота единичного усиления f₁ = 1 МГц;

- максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_U =2,5 В/мкс;

- сопротивление нагрузки R_{н min} = 1 КОм;

- номинальные напряжения питания U_п = ±12 В;

- коэффициент влияния напряжения источника питания К_п = 200 мкВ/В;

- диапазон рабочих температур - от –60 до +125°С.

Типовая схема включения ОУ К140УД6А и его цоколевка показаны на рисунке 5.10. Хотя подстроечный резистор R_п, использованный для балансировки нуля, может и отсутствовать.

Рисунок 5.10

Как следует из передаточной характеристики (рисунок 5.8), пока ОУ работает в линейном режиме, его выходное напряжение пропорционально входному. Поэтому при отсутствии цепей обратной связи коэффициент усиления ИМС ОУ можно определить для данного режима по результатам измерений U_вх и U_вых

.

Если дифференциальное входное напряжение превышает предельно допустимое значение, то ОУ переходит из линейного в режим насыщения. Причем выходное напряжение U_нас при дальнейшем увеличении U_вх практически не меняется, и его значение зависит только от значения питающего напряжения. Для реальных ОУ, как правило,

U_нас = U_п - (1¼2), В.

При симметричном питании ОУ (U_п+ = ½U_п-½), можно считать, что U_нас+ = ½U_нас-½.

Для компенсации влияния входных токов ОУ на выходное напряжение последовательно с неинвертирующим входом включается резистор, сопротивление которого определяется из условия (на примере схемы на рисунке 5.3)

.

Практически принимается i_вх+ » i_вх-, тогда

.

Поэтому можно считать, что при U_вх = 0, выходное напряжение инвертирующего усилителя определяется только напряжением смещения ОУ и коэффициентом усиления

.

Таким образом, измерив выходное напряжение при заданном коэффициенте усиления, можно определить напряжение смещения реального ОУ

.

В схеме на рисунке 5.4 компенсация входных токов не производится, поэтому выходное напряжение u_выхi оказывается пропорциональным сумме . И входной ток может быть определен из выражения

.

Учитывая, что R1<<R6, i_вх- » i_вх+,и результат измерения u_выхu из предыдущего опыта, в лабораторной работе входной ток реального ОУ рассчитывается по формуле

.

На практике широко используются повторители напряжения на основе ОУ. Их назначение аналогично схемам с общим коллектором на транзисторах - в буферных каскадах, однако за счет существенно большего входного и меньшего выходного сопротивлений ОУ, применение такого повторителя оказывается намного эффективнее. За счет глубокой отрицательной обратной связи (b=1), образованной непосредственным соединением выхода ОУ с инвертирующим входом, выходное напряжение оказывается практически равным входному (u_вых » u_вх), подаваемому на неинвертирующий вход. Таким образом повторитель напряжения представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К_ун = 1. При этом погрешность его обусловлена в основном только напряжением смещения ОУ.

Однако из-за ограниченного быстродействия ОУ, при подаче на вход повторителя прямоугольных высокочастотных импульсов форма выходного напряжения окажется отличной от прямоугольной (рисунок 5.11).

Рисунок 5.11

При этом скорость нарастания выходного напряжения реального ОУ может быть определена из осциллограммы по формуле

Поиск по сайту: