Лабораторна робота № 6

Дослідженя роботи підсилювальних схем на операційних підсилювачах

Мета заняття: ознайомитись з практичними схемами підсилювачів, зібраних з використанням операційних підсилювачів, їх параметрами та характеристиками, вивчити специфіку роботи підсилювачів з постійними та змінними вхідними струмами

Завдання:

1) вивчити схеми підсилювачів постійної напруги на ОП,

2) вивчити схеми підсилювачів змінної напруги на ОП,

3) освоїти методику розрахунку підсилювачів,

4) дослідити роботу підсилювачів з різними типами сигналів,

Тривалість роботи: 8 год.

6.1 Основні теоретичні положення

Операційний підсилювач (ОП) - це підсилювач електричних сигналів, що виготовлений як інтегральна мікросхема з безпосередніми (гальванічними) зв’язками. ОП призначені для виконання різноманітних операцій (підсилення, сумування, логарифмування та ін.) над аналоговими сигналами при роботі в схемах з від’ємним зворотнім зв’язком.

ОП мають високий коефіцієнт підсилення в смузі частот до кількох мегагерц, високий вхідний та низький вихідний опори. Переважаюча більшість ОП має два входи та один вихід. Входи ОП називаються інвертуючим та прямим (не інвертуючим).

Інвертуючий вхід ОП здійснює інверсію (поворот) фази вхідного сигналу на 180^о. Інвертуючий вхід позначається на електричних принципових схемах знаком (-).

Неінвертуючий вхід передає сигнал на вихід в тій фазі, яку він мав на вході. Прямий вхід позначається на схемах знаком (+).

Крім входів та виходів ОП має виводи (+U, -U) для під’єднання джерела живлення (одного або двох), ланок частотної корекції (FC), встановлення нульового значення напруги на виході (ZC) при Uвх = 0.

Основною задачею ОП є отримання на виході напруги, що буде пропорційною тільки різниці потенціалів U_вх1, U_вх2 на входах ОП і не залежатиме від їх абсолютного значення, зміни напруги живлення, температури навколишнього середовища та інших факторів:

(6.1)

Вираз для вихідної напруги не містить постійної складової вхідної напруги і, теоретично ОП не підсилює загальний (синфазний) для обох входів сигнал, оскільки постійний рівень подавляється у результаті віднімання і не впливатиме на вихідну напругу. Однак, на практиці повного подавлення постійної складової добитись важко, оскільки параметри навіть інтегральних транзисторів і резисторів на можуть бути ідеально узгоджені.

В зв’язку з тим, що коефіцієнт підсилення по напрузі реальних ОП є досить великим, схеми на ОП працюють в лінійному режимі тільки при введенні негативного зворотного зв’язку (НЗЗ). При відсутності НЗЗ, або при введенні позитивного зворотного зв’язку (ПЗЗ), схеми на ОП мають нелінійні властивості і виконують функції генераторів, компараторів та ін.

Розрахунок схем на операційних підсилювачах

Для спрощення розрахунків схем на ОП використовують так званий “ідеальний підсилювач” [1] з наступними основними параметрами: коефіцієнт підсилення напруги К_ПU ≈ ∞, вхідний опір Rвх ≈ ∞, вихідний опір Rвих ≈ 0.

Схема інвертуючого підсилювача напруги зображена на рис.6.1,а. Цей підсилювач охоплений ланкою паралельного НЗЗ по напрузі на резисторах R1 та Rзз. Неінвертуючий вхід ОП DA1 заземлено через резистор R2. Для зниження величини дрейфу струму опір резистора R2 вибирається з умови:

(6.2)

Рисунок 6.1 - Інвертуючий підсилювач на ОП

Оскільки неінвертуючий вхід ОП є заземленим і різниця напруг між входами U=0, то інвертуючий вхід також має нульовий потенціал відносно землі [1]. Тому:

(6.3)

Вихідну напругу схеми можна визначити з виразу:

(6.4)

Коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача по напрузі становить:

(6.5)

Коли задана е.р.с. джерела сигналу Ег з його внутрішнім опором Rг і коли Rг = 0, то вираз (6.5) матиме вид:

(6.6)

Для неідеального ОП, тобто коли К_ПU ≠ ∞, Rвх ≠ ∞, Rвих ≠ 0, з виразу (6.5) отримаємо:

(6.7)

де К_ПU.ОП - коефіцієнт підсилення по напрузі вибраного типу ОП;

R_ВХ.ОП - вхідний опір вибраного типу ОП.

Значення К_ПU.ОП і R_ВХ.ОП вибираються для кожного типу ОП з відповідних довідників [1].

За допомогою виразу (6.7) можна визначити похибку величини К_ПU.ІН при встановленні в схему любого ОП з врахуванням неоднорідності значень К_ПU.ОП і R_ВХ.ОП.

Визначимо вихідний струм ОП, що протікає через резистори Rн і Rзз, які ввімкнуті паралельно з метою отримання приросту струму на виході:

(6.8)

Вхідний опір неінвертуючого підсилювача для ідеального ОП становить:

(6.9)

Вихідний опір схеми у цьому випадку прямує до нуля.

Коли ОП є не ідеальним, то реальні значення вхідного та вихідного опорів неінвертуючого підсилювача визначаються з виразів:

(6.10)

(6.11)

В інвертуючих підсилювачах на ОП виникає напруга помилки Uп , викликана впливом напруги зміщення Uзм і вхідним струмом ОП. Вона може бути скомпенсована шляхом введення ланок установки (корекції) нуля. Для зменшення Uп, яке викликане вхідними струмами ОП необхідно вибирати ОП з польовими транзисторами на вході і відповідно зменшувати номінали резисторів R1 і Rзз.

Мінімальне значення R1 вибирається з умови:

(6.12)

При R1 = Rзз значення К_ПU.ІН = -1, тобто ми отримаємо інвертуючий повторювач напруги.

Схема неінвертуючого підсилювача напруги зображена на рис. 6.2. Цей підсилювач охоплений ланкою послідовного зворотного зв’язку по напрузі на резисторах Rзз та R1.

Рисунок 6.2 - Неінвертуючий підсилювач на ОП

Оскільки з умови роботи ОП випливає, що напруга між його входами U = 0, то вхідна напруга визначиться з виразу:

(6.13)

Звідки

(6.14)

Внаслідок того, що вхідні струми ОП рівні нулю наявність Rг в схемі на рис.6.2, а не впливає на значення К_ПU схеми.

Вхідний опір схеми становить:

(6.15)

Вихідний опір неінвертуючого підсилювача знаходиться з виразу:

(6.16)

На рис. 6.3 зображена схема неінвертуючого повторювача напруги на ОП.

Для цієї схеми приймаємо, що R1 = ∞, Rзз = 0, тоді отримаємо вирази для вхідного і вихідного опорів схеми:

(6.17)

(6.18)

Перевагою неінвертуючого підсилювача на ОП є його надзвичайно високий вхідний опір. Недоліком є те, що в порівнянні зі схемою на рис. 6.1 Uп збільшується за рахунок синфазної складової , яка завжди присутня на обох входах ОП і по величині є рівною Uвх.

Схема різницевого (диференційного) підсилювача наведена на рис. 6.4. Різницевий підсилювач передбачає диференційне ввімкнення ОП. Такий тип ввімкнення ОП здійснюється шляхом об’єднання інвертуючої та неінвертуючої схем включення ОП. У відповідності з цим підсилювач має 2 входи. Різницевий підсилювач підсилює різницю сигналів, які прикладені до входів ОП. Знаючи коефіцієнт підсилення напруги по інвертуючому та неінвертуючому входах отримаємо вираз для визначення вихідної напруги диференційного підсилювача:

(6.19)

Коли прийняти, що R2 = R1 = Rзз та , , звідки , то з виразу (6.19) отримаємо:

(6.20)

Рисунок 6.3 - Неінвертуючий повторювач напруги на ОП

Якщо коефіцієнти підсилення диференційного підсилювача по інвертуючому та неінвертуючому входах внаслідок розбіжності номіналів резисторів R1, R2, R3, Rзз будуть відрізнятись, то рівняння (6.20) прийме вид:

(6.21)

Перевагою диференційного підсилювача (рис. 6.4) є можливість підсилення тільки різниці сигналів на його входах, у незалежності від того, які завади попадають на ці входи, або виникають в них. Властивість підсилювати інформаційний сигнал на фоні сильних синфазних завад дає змогу використовувати різницевий підсилювач у різних вимірювальних схемах. Недоліком різницевого підсилювача є різний вхідний опір по кожному з входів, а також складність регулювання його К_ПU, що пов’язана з необхідністю одночасної зміни двох точно підібраних резисторів.

Схема логарифмуючого підсилювача зображена на рис.6.5. Підсилювачі такого типу дають змогу отримати вихідну напругу, значення якої пропорційне логарифмові вхідної напруги. Полярність вхідної напруги повинна забезпечити виникнення прямої напруги на діоді VD1 в ланці зворотного зв’язку.

Використовуючи рівняння для побудови вольтамперної характеристики діода, а також враховуючи, що , отримаємо вираз для вихідної напруги логарифмуючого підсилювача [1]:

, (6.22)

де І₀ - тепловий струм діода,

φ_Т - температурний потенціал,

.

Рисунок 6.4 - Різницевий (диференційний) підсилювач напруги на ОП

Якщо поміняти місцями R1 і VD1 в схемі на рис. 6.5, то вихідна напруга схеми буде пропорційна антилогарифму вхідного сигналу.

Усі наведені схеми підсилювачів на ОП передбачають роботу з різноманітними вхідними напругами. Слід пам’ятати, що для роботи схем з сигналами змінного струму рекомендується на їхніх входах і виходах застосовувати розділюючи конденсатори. При підсиленні змінних напруг майже всі розрахункові залежності зберігаються, тільки К_ПU будуть залежати від частоти вхідних сигналів.

Максимальна частота в МГц, при якій відбувається підсилення сигналу високої амплітуди без спотворень визначається швидкістю наростання вхідної напруги ОП V_U.ВИХ і знаходиться з виразу:

(6.23)

Рисунок 6.5 - Логарифмуючий підсилювач на ОП

Завдання до лабораторної роботи та опис макетів для її виконання наведено в додатку Б.