Операционный усилитель с ОС

УДК 621.3

Инновационная образовательная программа «Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий

Рецензенты: канд. техн. наук доц. А.В. Зеленский.

Гречишников В.М., Курицкий А.А.

Операционный усилитель с обратными связями: учебно-методическое пособие В.М. Гречишников, А.А. Курицкий - Самара: Изд-во Самар.гос. аэрокосм. ун-та – 16 с. : ил.

Рассмотрены операционные усилители как унифицирующий элемент современной аналоговой электроники. Приведены: функциональный состав и основные характеристики операционного усилителя. Показаны способы введения обратной связи в преобразователи на основе ОУ. Проанализировано влияние обратных связей на основные характеристики усилителей. Для практического исследования рассмотрены характеристики простейшего инвертирующего усилителя. Подробно рассмотрена методика измерения амплитудных и частотных характеристик инвертирующего усилителя с различной глубиной отрицательной обратной связи.

Методические указания подготовлены кафедрой электротехники и предназначены для студентов неэлектрических специальностей по курсу "Электротехника и электроника" (131200, 220200).

УДК 621.3

©Гречишников В.М., Курицкий А.А.

©Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007

2

два входа: неинвертирующий и инвертирующий.

Рис. 01 Схемотехническое обозначение операционного усилителя.

Напряжение на неинвертирующем входе ( U вх ) по фазе полностью совпа-

дает с выходным напряжением U вых . Напряжение на инвертирующем входе

(Uвх ) находится в противофазе с выходным напряжением ОУ U вых . Операционный усилитель имеет большой коэффициента усиления для

U диф 0 выходное напряжение U вых 0 , питание ОУ должно быть двух-

полярным, что обеспечивается соответствующим подключением одинаковых

по напряжению источников питания E (рис. 01). Функциональная схема ОУ приведена на рис. 02.

Рис. 02 Функциональная схема операционного усилителя.

4

Для создания двух противофазных входов ОУ в качестве первого каскада используется схема дифференциального усилителя на транзисторах VT1, VT2. Это решение позволяет существенно повысить температурную стабиль-

ность усилителя. Источник тока I используется для повышения коэффициента усиления дифференциального каскада. Основное усиление ОУ обеспечивается многокаскадным усилителем «K» (рис. 02). С целью повышения мощности выходного сигнала и снижения выходного сопротивления ОУ в выходном каскаде применена схема эмиттерного повторителя на комплементарной (взаимодополняющей) паре транзисторов VT3 и VT4.

1.2.1 Амплитудная характеристика ОУ

Зависимость выходного напряжения от входного при неизменной частоте входного сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя:

Вид типичной амплитудной характеристики ОУ по неинвертирующему входу показан на рис. 03.

Рис.03 Амплитудная характеристика операционного усилителя

Основными параметрами, которые определяются по амплитудной характеристике (АХ), являются:

1. Динамический диапазон ОУ по входному дифференциальному напряжению для усиления сигнала с минимальными нелинейными искажениями.

Он определяется линейным участком (АХ), который соответствует условию:

5

Из графика рис. 03 следует, что максимальное входное напряжение для линейного участка АХ (динамический диапазон), Uвх max 2мВ , при этом

максимальный размах выходного напряжения составляет Uвых max =18 В.

2. Дифференциальный коэффициент усиления ОУ определяется углом наклона амплитудной характеристики на ее линейном участке:

Kдиф Uвых 12 *103 мВ /1, 6мВ 7500 (1)U

вх

3. Напряжение смещения «0» U см (рис. 03). Это входное дифференциальное напряжение ОУ, при котором выходное напряжение операционного усилителя U вых 0 . Напряжение U см является аддитивной погрешностью ОУ (погрешностью «0») и его всегда стремятся уменьшить. Для амплитудной характеристики на рис. 03 напряжение смещения нуля составляет Uсм 1,0мВ .

1.2.2 Амплитудночастотная характеристика ОУ

Зависимость амплитуды выходного напряжения ОУ (дифференциального коэффициента усиления) от частоты входного (дифференциального) напряжения при неизменной его амплитуде называется амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) усилителя (ОУ).

Типичная АЧХ усилителя (ОУ) представлена на рис. 04.

Рис. 04 Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя.

Основными параметрами, которые определяются по АЧХ, являются: 1. Нижняя fн и верхняя fв частоты среза, определяемые из условия:

6

K(2 fн ) K(2 fв ) Kmax / 2 0,7Kmax (4)

Примечание: т.к. ОУ является усилителем и постоянного тока, то значение нижней частоты среза для него fн 0 .

2. Полоса пропускания f (определяется из условия заданных частотных искажений сигнала): диапазон частот усилителя, для которых коэффициент

усиления по напряжению снижается не более, чем в 2 раза (по мощности не более, чем в 2 раза) от максимального значения (рис.04).

Кроме отмеченных параметров, ОУ имеет большое количество других, не менее важных: входное и выходное сопротивления, синфазный коэффициент усиления и.т.д. Все они приводятся в справочниках и используются для тех или иных расчетов.

Основные параметры и их типовые значения, ОУ используемого в настоящей лабораторной работе (К140УД8А), приведены в таблице № 1.

Таблица №1 Параметры операционных усилителей: идеального и реального

1.3 Свойства усилителей с обратной связью

Обратной связью называется передача части энергии с выхода усилителя в его входную цепь. Передача энергии осуществляется цепью обратной связи с

коэффициентом передачи (рис. 05).

Введение обратных связей в усилителях преследует следующие цели:

а) улучшение параметров усилителей (стабилизация коэффициента усиления, повышение входного и понижение выходного сопротивлений, расширение полосы пропускания); б) расширение функциональных свойств (фильтрация сигналов, математиче-

ские операции над аналоговыми сигналами, генерирование сигналов).

7

знак "-" в полученном выражении (7) соответствует ПОС, а знак "+" - ООС.

Величина K называется глубиной обратной связи.

Увеличение K ведет к снижению KООС в случае ООС и в то же время

расширяет динамический диапазон входных сигналов, т.е. линейный участок амплитудной характеристики усилителя (рис.06). Это, в свою очередь, позволяет значительно уменьшить искажение формы усиливаемого сигнала. Т.о., увеличение глубины ООС позволяет уменьшить нелинейные (искажение формы) искажения сигнала.

указывает на введение глубокой ОС. Для этого случая, как следует из (7):

свойств усилителя ( K ) и определяется только свойствами обратной связи ( ). Высокое значение дифференциального коэффициента усиления ОУ

K 1 позволяет применять цепи ОС с коэффициент 1 . В этом случае

цепь ОС представляет собой простой делитель напряжения, который выполняется на резисторах. Параметры резисторов такого делителя существенно меньше зависят от температуры (в отличие от параметров p-n переходов

9

транзисторов усилителя), а, значит, стабильность усиления может быть существенно повышена.

Т.о., увеличение глубины ООС позволяет существенно увеличить стабильность коэффициента усиления усилителя.

Увеличение глубины ОС в диапазоне 0 K 1 в случае ПОС, ведет к увеличению KПОС , значение которого стремится к бесконечности , при усло-

вии K 1. Это условие используется для возбуждения усилителя и его

переход в генераторный режим работы (на выходе усилителя генерируется периодический сигнал определенной частоты).

Т.о. введение ООС снижает общий коэффициент усиления, но расширяет линейный участок АХ и увеличивает стабильность усиления.

Введение ПОС уменьшает стабильность коэффициента усиления и сужает линейный участок АХ, такая ОС используется для генерирования сигналов.

1.3.2 Влияние отрицательной обратной связи на АЧХ

Реальный ОУ, в отличие от идеального, имеет конечное значение верхней частоты среза в 2 fв . Причин этому несколько: инерционность

транзисторов усилителя, действие шунтирующих паразитных емкостей и.т.д. Учитывая это, реальный ОУ можно представить через идеальный ОУ (с ко-

эффициентом усиления K ) следующим образом (рис. 07).

Рис.07 Имитация реального ОУ в частотной области.

АЧХ такого усилителя формируется RC цепью и описывается выражением вида:

На рис. 08 показана АЧХ реального ОУ без введенной ООС (график «а»):

10