ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является:

1. Изучение основных параметров интегрального операционного усилителя

( ИОУ).

2. Изучение схемотехники усилительных устройств на ИОУ.

3. Выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на

интегральных микросхемах.

II. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Интегральные операционные усилители.

Интегральный операционный усилитель (ИОУ) – это высококачественный линейный усилитель постоянного тока, изготовленный в виде интегральной микросхемы (ИМС) и применяемый в схемах с обратными связями.

Высокое качество подразумевает:

1. Широкую полосу пропускания (до 100 МГц);

2. Высокий коэффициент усиления (К _U_ОС > 10000);

3. Высокое входное сопротивление (R _ВХ > 10 кОм);

4. Малое выходное сопротивление R _ВЫХ < 100 Ом;

5. Малый дреф (нуля) U _ДР < 1 мкВ на 1^о.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

U_вых = U₁ - U₂

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Структурная схема ИОУ:

1-й каскад максимально компенсирует дрейф нуля. (Дрейф нуля – это появление сигнала на выходе, при отсутствии сигнала на входе).

2-й каскад обеспечивает общую точку выходному напряжению

3-й каскад обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ.

Обозначение ИОУ:

Один вход называют инвертирующим ( Вход 1).Если увеличивать напряжение на этом входе, а на другом поддерживать постоянным, то выходное напряжение будет уменьшаться, то есть входной и выходной сигнал изменяются в противофазе.

Другой вход называется неинвертирующим ( Вход 2). Если увеличивать напряжение на этом входе, а на другом не изменять, то напряжение на выходе будет увеличиваться.

Обобщенная схема ИОУ по переменной составляющей при подаче на вход напряжения Uвх = Uвх₁ – Uвх₂.

К хх – это коэффициент усиления на холостом ходу.

Электрическая схема включения ИОУ:

Для примера рассмотрим микросхему серии К140. – она имеет 8 выводов.

1 – общий вывод (земля или корпус)

3 – инвертирующий вход

4 – неинвертирующий вход

7 – выход

8 – вывод для «+Епит»

5 – вывод для «– Епит»

В реальных ОУ часто режиму Uвых=0 соответствует не нулевое напряжение Uвх= Uвх1- Uвх2 – называемое напряжением смещения.

Потому к выводам 2 и 6 подключают резистор R= 10 кОм для подстройки (нуля) схемы.

Основной характеристикой ИОУ – является передаточная характеристика – это зависимость выходного напряжения от входного. Она имеет вид.

по вертикальной и горизонтальной оси разные масштабы, то есть диапазон входных напряжений на линейном участке очень мал.

Из передаточной характеристики следует, что интегральный операционный усилитель непосредственно в качестве усилителя применять невозможно, так как линейный участок передаточной характеристики ограничен малыми входными напряжениями Uвых m/ Кu.

Кроме того коэффициент усиления ИОУ Кu меняется от экземпляра к экземпляру в широких пределах и сильно зависит от температуры, что обусловлено сильной зависимостью от температуры коэффициента β транзисторов, входящих в состав ИМС. Поэтому ИОУ применяются только в схемах с обратными связями.

Выпускаемые в настоящее время интегральные ОУ классифицируются по следующим группам:

- ОУ общего назначения;

- Прецизионные ОУ, позволяющие поддерживать с высокой точностью большой коэффициент усиления К_U;

- Быстродействующие ОУ, характеризующиеся повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления;

- Микромощные ОУ, потребляющие наименьшую энергию от источника питания.

ИОУ рассчитаны на применение симметричных разнополярных источников питания напряжением от +5В до +27В.

2. Типы интегральных операционных усилителей.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, то есть включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники, операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: K _U = 20 000 ¸ 200 000; U _см = 0, 1 ¸ 20 мВ; f _т = 0, 1 ¸ 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f _т = 20 ¸ 1000 МГц, r = 10 ¸ 1000 В/мкс). Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1, 2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0, 8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.

Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1, 8 В.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А.

Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D (ключевой режим). Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

III. ОБОРУДОВАНИЕ

Лабораторный стенд, блок № 5, соединительные провода.

IV. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.Изучение влияния обратной связи на усилительные свойства неинвертирующего ОУ.

2. Изучение влияния обратной связи на усилительные свойства инвертирующего ОУ.

3.Построить передаточные характеристики и зарисовать осциллограммы напряжений для исследуемых режимов работы

V.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

VI.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Практическое задание.

4. Схема блока №5.

5. Схемы усилительных каскадов.

6. Результаты исследований (Таблицы 1 и № 2).

7. Временные графики входного и выходных напряжений.

8. Передаточные характеристики.

9. Выводы и объяснения по результатам измерений.

VII. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Вопросы к интегральному операционному усилителю (ИОУ)

1. Что такое интегральный ОУ?

2. Укажите параметры ИОУ.

3. Поясните назначение выводов микросхемы ИОУ.

4. Нарисуйте передаточную характеристику ИОУ.

5. Что такое «дрейф нуля»?

6. Как обозначается ИОУ?

7. Из каких каскадов состоит ИОУ?

8. Как влияет на параметры и характеристики усилителя изменение напряжения питания Е _ПИТ _.?

Вопросы к защите лабораторной работы

«Исследование неинвертирующего ОУ»

1. Нарисовать схему неинвертирующего ОУ с ОС. Записать выражение для коэффициента усиления схемы.

2. Охарактеризуйте обратную связь в схеме.

3. Что такое передаточная характеристика ОУ? Нарисуйте передаточную характеристику неинвертирующего ОУ.

4. Расскажите построение передаточных характеристик неинвертирующего ОУ.

5. Покажите на передаточной характеристике линейную и нелинейную области.

6. Почему указанная область является линейной?

7. Какова форма выходного напряжения в усилителе переменного напряжения при входном напряжении, значение которого выходит за пределы линейной области?

8. Как Вы определили значение Umax?

9. Объясните, как Вы строили временные графики.

10. Выделите на схеме блока схему неинвертирующего ОУ. Укажите цепь обратной связи. Охарактеризуйте обратную связь.

11. Почему этот усилитель называется неинвертирующим ОУ?

12. Как влияет на параметры и характеристики усилителя изменение

напряжения питания Е _ПИТ _.?

Вопросы к защите лабораторной работы

«Исследование инвертирующего ОУ»

1. Нарисовать схему инвертирующего ОУ. Записать выражение для коэффициента усиления схемы.

2. Охарактеризуйте обратную связь в схеме.

3. Расскажите построение передаточных характеристик ОУ.

4. Что означает инвертирующий ОУ? Почему этот усилитель называется инвертирующим?

5. Чем принципиально отличается передаточная характеристика инвертирующего ОУ от передаточной характеристики неинвертирующего ОУ.

6. Покажите на передаточной характеристике линейную и нелинейную области.

7. Почему указанная область является линейной?

8. Какова форма выходного напряжения в усилителе переменного напряжения при входном напряжении, значение которого выходит за пределы динамического диапазона?

9. Как Вы определили значение Umax?

10. Объясните, как Вы строили временные графики.

11. Выделите на схеме блока схему инвертирующего ОУ. Укажите цепь обратной связи. Охарактеризуйте обратную связь.