Практика

В любом случае транзисторы и резисторы каскада должны быть попарно одинаковыми, что легко обеспечивается при изготовлении по технологии интегральных схем, когда обеспечивается сильная корреляция параметров элементов. В простейшем случае это означает, что параметры одинаковых элементов будут практически одинаковыми. Это и предопределяет замечательные свойства дифференциальных каскадов и их широкое распространение в интегральных схемах (ИС).

Предположим, что БТ и резисторы рис.1 одинаковы. Тогда, при одинаковых входных напряжениях Uвх1 и Uвх2 в транзисторах протекают одинаковые токи,

падения напряжения на резисторах также одинаковы и Uвых = 0. Выходное напряжение появляется здесь только при неодинаковых Uвх1 и Uвх2 и тем больше, чем больше их разность. Поэтому в первом приближении работа дифференциального каскада описывается выражением:

где КU – коэффициент усиления по напряжению. Из (1) следует, что дифференциальный каскад реагирует на разность входных сигналов, с чем и связано происхождение его названия – дифференциальный, т.е. разностный.

Уникальными достоинствами дифференциального каскада является его исключительная устойчивость к изменениям температуры и напряжения источника питания. Так, если Uвх1 = Uвх2 и токи плеч одинаковы (сбалансированное состояние), изменения температуры и напряжения источника сказываются на одинаковых плечах в одинаковой степени. И хотя токи изменяются, они остаются равными и сбалансированное состояние, т.е. Uвых = 0, сохраняется.

Другие достоинства такого каскада:

возможность использования единственного источника сигнала, в том числе наиболее распространённых несимметричных (заземлённых) источников, когда входное напряжение подается только на один из входов, а входное напряжение другого входа неизменно. Так как суммарный ток обоих транзисторов стабилизирован источником тока I, при увеличении, например, только Uвх1, ток левого транзистора увеличивается и поскольку сумма токов постоянна, ток правого транзистора уменьшается, т.е. работают оба плеча;

возможно как инвертирующее, так и неинвертирующее включение. Например, при подаче сигнала Uвх на вход 1, выходное напряжение

противофазно входному. При подаче сигнала Uвх на вход 2 фазы входного и выходного напряжений одинаковые;

21

возможно использование только одного из выходов, что также обеспечивает возможность подключения несимметричной нагрузки с выбором инвертирующего или неинвертирующего включения.

4. Описание исследуемого дифференциального усилителя

Исследуемый усилитель (рис.2) содержит два дифференциальных каскада, включённых один за другим (так называемое каскадное включение).

Рис. 2

При каскадном включении общий коэффициент усиления КU равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов усилителя, т.е. КU1 x KU2 x KU3... . Этим достигается сколь угодно большое усиление.

Каскады усилителя практически одинаковые, содержат попарно одинаковые резисторы в коллекторных цепях R1, R4 и R5, R2 и четыре одинаковых транзистора Q1, Q3 и Q4, Q5 модели N1. В узлах А и В выходы первого каскада соединены со входами второго.

Входное напряжение от заземлённого источника сигнала V1 подается только на левый вход первого каскада, его правый вход заземлён через R3. Этим достигается неизменность Uвх2 = 0.

Наличие двух выходов OutA и OutB, напряжения на которых противофазны, обеспечивает возможность применения как инвертирующего, так и неинвертирующего включения.

Остальные элементы схемы – вспомогательные.

5.Методические указания по выполнению работы

1.Дважды щелкнуть на ярлыке DIFFAMP на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема рис.2. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить

22

номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2. Получить передаточную характеристику Uвых = f(Uвх), для чего в главном меню выбрать Analysis, затем DC и в появившемся окне – Run. Зарисовать передаточную характеристику с указанием масштабов по осям и необходимыми построениями, как это показано на рис. 3.

Рис. 3

3. Пользуясь курсором (при наведении курсора на интересующую точку графика появится окно с координатами точки), определить:

приблизительную протяжённость линейного участка (неискаженного выходного напряжения) ΔUвых;

приблизительную протяжённость линейного участка входного напряжения

ΔUвх;

малосигнальный (дифференциальный) коэффициент усиления по напряжению

КU =ΔUвых /ΔUвх ;

характер включения усилителя (инвертирующий, неинвертирующий).

4. Получить временные диаграммы отдельного дифференциального каскада (второй каскад усилителя) – Analysis, Transient, Run. На экране при этом верхняя синяя диаграмма – входное напряжение дифференциального каскада, нижняя – выходное напряжение. Определить:

коэффициент усиления второго каскада КU2, как отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала;

фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением (обратите внимание на знаки входного и выходного напряжения);

оценить коэффициент нелинейных искажений КНИ. Считается, что если

отличия формы выходного и входного сигнала на глаз незаметны, то КНИ < 5%.

23

5.Получить амплитудно- и фазо-частотные характеристики исследуемого усилителя (Analysis, AC, Run). По верхней диаграмме АЧХ определить значение предельной частоты, на которой выходное напряжение уменьшается в 1,4 раза по отношению к максимальному значению на низких частотах.

6.Изменить следующие величины, определяющие частотные свойства БТ:

CJE – барьерная ёмкость эмиттерного перехода;

CJC – барьерная ёмкость коллекторного перехода;

TF – время пролёта.

Все четыре БТ обоих дифференциальных каскадов одинаковые и описываются моделью N1. Вызов окна с параметрами модели осуществляется двойным кликом на любом из БТ дифференциальных каскадов Q1, Q3, Q4, Q5. Все три перечисленных параметра умножить в число раз, указанное в табл. 1, в соответствии с заданным вариантом.

Таблица 1

7. Определить предельную частоту усилителя после изменения параметров транзисторов.

6. Содержание отчета

Отчёт должен содержать:

1.название и цель работы;

2.рисунок передаточной характеристики Uвых = f(Uвх);

3.значения:

протяжённости линейного участка выходного напряжения ΔUвых;

протяжённости линейного участка входного напряжения ΔUвх;

малосигнального коэффициента усиления по напряжению КU;

коэффициента усиления второго каскада КU2;

предельной частоты усилителя;

предельной частоты усилителя при изменённых параметрах БТ.

4.заключение – является ли применённое во втором каскаде включение инвертирующим или неинвертирующим;

5.оценку КНИ.

24

7.Контрольные вопросы

1.Чем объясняется высокая устойчивость дифференциального каскада к изменениям температуры и напряжения источника питания?

2.Почему дифференциальные каскады и усилители на их основе применяются в основном в интегральных схемах?

3.Почему в дифференциальном каскаде возможно подключение источника сигнала как к обоим, так и только к одному из входов?

4.Что достигается при подключении нагрузки только к одному из выходов дифференциального каскада, что изменяется при перемене выходного узла?

5.Привести пример инвертирующего и неинвертирующего включения дифференциального каскада.

6.Что даёт каскадирование дифференциальных каскадов, как при этом определяется общий коэффициент усиления?

7.От каких параметров БТ зависят частотные свойства дифференциального усилителя?

25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 Исследование операционного усилителя

1. Цель работы

Изучение назначения, принципов построения и применения операционных усилителей (ОУ).

2.Задание

1.Ознакомиться с основными разновидностями ОУ и основными возможностями их применения. Выявить роль обратной связи в схемах с ОУ.

2.С использованием программы Microcap получить передаточную

характеристику Uвых = f (Uвх) исследуемого ОУ. Определить по характеристике пределы изменения выходного напряжений Uвых макс, Uвых мин , пределы изменения входного напряжения Uвх макс, Uвх мин и протяженность линейного

участка выходного напряжения ∆Uвых = Uвых макс − Uвых мин .

3. Получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) исследуемого ОУ. Определить по ней коэффициент усиления на нижних частотах KU , предельную частоту fпр и граничную частоту fгр .

4.Изменить глубину отрицательной обратной связи согласно заданному варианту.

5.Получить для изменённого варианта АЧХ и определить по ней значения KU ,

fпр и fгр . Сравнить их со значениями исходного варианта.

3. Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это самостоятельная интегральная схема (ИС) или её часть, обладающая большим запасом по параметрам и большим разнообразием вариантов применения, что позволяет использовать её для решения самых разнообразных задач. При этом отпадает необходимость в разработке специальных усилителей под каждую конкретную задачу, что требует значительных материальных и временных затрат. Благодаря массовости изготовления и применения себестоимость ОУ очень низка. Массовым тиражом выпускаются различные варианты ОУ – на биполярных и полевых транзисторах, высокочастотные, малошумящие, с низким энергопотреблением и т.д.

Большой запас параметров ОУ расширяет возможности его применения. Например, коэффициент усиления по напряжению KU может достигать сотен

26

тысяч и миллионов раз. Это позволяет при использовании отрицательной обратной связи (ООС) получить меньшее усиление с выигрышем в стабильности, полосе пропускания, снижении шумов. Так, согласно формуле Блэка, для усилителя с ООС на рис. 1:

KUоос = KU/(1 + βKU), где коэффициент обратной связи β = Uоос/Uвых (1)

Рис. 1

Из (1) следует, что если коэффициент усиления самого ОУ KU очень большой, то βKU >> 1, коэффициент усиления с ООС равен 1/β и от свойств ОУ не зависит. Коэффициент β в такой схеме определяется отношением R2/R1. Благодаря сильной корреляции параметров, отношение сопротивлений резисторов ИС является исключительно стабильной и точной величиной и эти свойства передаются усилителю с ООС в целом. Применение ООС снижает усиление ОУ в n раз, но во столько же раз расширяется его полоса пропускания, возрастает его стабильность, уменьшаются искажения и т.п.

Применение в цепи обратной связи ОУ RC-цепей, диодов, других элементов, а также организация нескольких входов позволяют реализовать такие математические функции, как сложение и вычитание напряжений, их потенцирование и логарифмирование, интегрирование и дифференцирование. С этим и связано происхождение названия «операционный усилитель».

Собственно ОУ (условное обозначение приведено на рис. 1), содержит несколько дифференциальных каскадов, что обеспечивает наличие двух входов и возможность инвертирующего и неинвертирующего включения. Плюсом на условном обозначении помечен неинвертирующий вход, минусом – инвертирующий. На рис.1 видно, что напряжение обратной связи с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход, что и означает наличие ООС.

4. Описание исследуемой схемы

Полная исследуемая схема приведена на рис. 2. Основное усиление обеспечивается двумя дифференциальными каскадами на биполярных транзисторах. Первый из них, входной, содержит одинаковые транзисторы Q3,

27

Q4 и одинаковые резисторы R19, R1. Второй, более сложный каскад также симметричный – Q1, Q2, R18 – левое плечо, Q6, Q7, R7 – правое. Остальные элементы – вспомогательные и служат, в основном, для обеспечения работы дифференциальных каскадов.

ООС осуществляется через R11, подключенный к выходу ОУ (OUTPUT) и к инвертирующему входу первого каскада – базе Q3 (INPUT). Входной сигнал от источника напряжения V709 также подается на базу Q3.

Все транзисторы ОУ одинаковые, что существенно облегчает изготовление и улучшает симметрию дифференциальных каскадов.

KU такого ОУ без обратной связи достигает 105.

Рис. 2

5.Методические указания по выполнению работы.

1.Два раза щелкнуть на ярлык UA709 на рабочем столе. На экране появится исследуемая схема вида рис.2. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

28

2. Получить передаточную характеристику Uвых = f (Uвх ), для чего в главном меню выбрать Analysis, DC и в появившемся окне – Run. Руководствуясь рис. 3,

интересующую точку. В появляющемся окошке через запятую будут указаны значения входного и выходного напряжения.

3. Получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) исследуемого ОУ. Для этого выбрать Analysis, AC, Run. Определить по АЧХ коэффициент усиления на нижних частотах KU , предельную частоту fпр и граничную частоту fгр . Предельной частотой называется такая частота, на которой KU меньше своего максимального значения на 3 дБ, или в 1,4 раза. Граничной частотой называется такая частота, на которой KU = 1, т.е. 0 дБ. Пример АЧХ исследуемой схемы приведён на рис. 4.

Рис. 3

29