Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 по дисциплине «Микроэлектроника» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика». Коротков Л.Н., Королев К.Г

Рис. 1. Условное обозначение ОУ: (а) - новое, (б) - старое. 1 - инвертирующй вход (вход, сигнал с которого предается на выход ОУ с инверсией фазы); 2 - неинвертирующий вход;

3 - выход; 4, 5 и т.д. - дополнительные выводы

Передаточная характеристика ОУ изображена на рис. 2.

Рис. 2. Передаточная характеристика операционного усилителя

( Uвых.m) ограничена напряжением питания ( Еп). Операционные усилители почти всегда применяются с

глубокой внешней отрицательной обратной связью. Это связано с тем, что из-за большого коэффициента усиления ОУ даже ма-

29

лое постоянное дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за асимметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать сдвиг постоянного выходного напряжения от нуля до предельного значения. Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения (см. рис. 2) и потеряет способность усиливать. Кроме того, коэффициент усиления зависит от температуры и напряжения питания. Введение отрицательной обратной связи позволяет обеспечить нуль выходного напряжения и стабильность коэффициента усиления.

Для обеспечения устойчивости ОУ, охваченного отрицательной обратной связью применяются элементы частотной коррекции. Обычно это набор RC-цепочек, подключаемых к специально выделенным точкам схемы.

Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики ОУ при наличии элементов частотной коррекции показаны на рис. 3. Заметим, что АЧХ ОУ как усилителя постоянного тока практически равномерна от частоты f = 0 до некоторой частоты среза, где начинается высокочастотный спад из-за ответвления выходного тока в параллельные паразитные емко-

сти [1].

Фаза выходного сигнала при прохождении через ОУ сдвигается относительно фазы входного, так как сигнал задерживается на активных и пассивных элементах усилителя. Фазочастотная характеристика описывается тангенсоидой [1].

Следует обратить внимание на то, что максимально возможное запаздывание сигнала по фазе для трехкаскадного усилителя может быть значительным и достигать -2700.

Однако уже при запаздывании на 1800 суммарный фазовый сдвиг по петле отрицательной обратной связи (ООС) может оказаться положительным (т.к. к внутреннему сдвигу прибавится внешний сдвиг фаз по цепи ООС между инвертирующим входом и выходом равный -1800) и схема самовозбудится. Реально же ОУ, работающий с замкнутой петлей ООС, обычно имеет

30

максимально возможный запас по фазе до самовозбуждения на высоких частотах равный 900, что обеспечивается введением цепей коррекции. Это особенно важно, когда нагрузка схемы может изменяться в процессе работы или имеет емкостной характер.

Рис. 3. Характеристики ОУ: а) амплитудно-частотная (кривые 1,2,3, соответствуют различным номиналам элементов

коррекции); б) фазочастотная

Схема инвертирующего включения показана на рис. 4. Входной сигнал в схеме подается на инвертирующий вход, сигнал ОС тоже на инвертирующий вход (рис. 4).

Упрощенный анализ схемы, выполненный на основе предположения о том, что ОУ близок к идеальному (т.е. коэффициент усиления дифференциального напряжения Кд ,

31

Рис. 4. Инвертирующий усилитель

входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх.д, выходное сопротивление Rвых 0) позволяет получить приближенную формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

ной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение ОС - на инвертирующий (рис. 5)

2.4. Четвертое домашнее задание Изучить принципиальную электрическую схему исследу-

емого усилителя и порядок подключения приборов.

В настоящей работе предлагается изучить работу схемы на ОУ К553 УД1, показанную на рис. 2. (II)

Переключатель П1 позволяет осуществить два способа включения ОУ: неинвертирующее (П1 ) и инвертирующее (П1); тумблер П2 подключает к входу осциллографа генератор (переключатель П3 ), либо выход ОУ (П3 ); переключатель П2 изменяет глубину ОС. При положении тумблера (П2 ) ООС реализуется через резистор R5, при положении (П2 ) - через

32

резистор R6. Напряжение на вход схемы поступает через дели-

тель R1, R2 (R1 = 1 кОм; R2 = R2* = 110 Ом; R3= R4 = 1,0 кОм; R5= 2,2 кОм; R6 = 68 кОм). Питание ОУ осуществляется от источника

12 В. Элементы коррекции на схеме не показаны.

Рис. 5. Неинвертирующий усилитель Для коэффициента усиления упрощенный анализ дает:

2.Лабораторные задания

2.1.Первое лабораторное задание

2.1.1.Подготовиться к проведению эксперимента.

2.1.2.Собрать схему измерительной установки в соответствии с рис. 6.

2.1.3.Показать собранную цепь преподавателю и получить разрешение на включение электроприборов.

2.1.4.Подготовить стандартные приборы к работе в соответствии с инструкциями по их эксплуатации.

2.1.5.Включить стандартные электроприборы в сеть и дать им прогреться в течение 15 - 20 мин.

2.1.6.Подключить питание к лабораторному стенду.

33

Рис. 6. Схема лабораторной установки. I - генератор сигналов; II - лабораторный макет; III - осциллограф

2.2. Второе лабораторное задание. Определить коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей для двух значений глубины ООС.

2.2.1. Рассчитать значения коэффициентов усиления (Красч.) для случаев инвертирующего и неинвертирующего включений ОУ по формулам (2.1) и (2.2), соответственно, при двух заданных значениях глубины ОС:

a) Rос = R5 = 2,2 кОм; R R3 R4 = 1 кОм б) Rос = R6 = 68 кОм; R R3 R4 = 1 кОм Результаты записать в таблицу 1.

2.2.2. С помощью переключателя П2 подключить генератор к входу “У” осциллографа (П2 ) (рис. 6). Установить на входе генератора напряжение частотой 1 кГц и амплитудой

Uвх = 1В.

2.2.3.Подключить осциллограф к выходу ОУ (переключатель П2 ).

2.2.4.Произвести измерение амплитуды сигнала на выходе ОУ Uвых для инвертирующего (П1 ) и неинвертирующего

34

(П1 ) включений ОУ при двух положениях переключателя П3 (П3 - включение в цепь R5, П3 - включение R6).

2.2.5. Используя полученные значения Uвых определить модули коэффициентов усиления как

К = (Uвых/Uвх) А ,

где А - коэффициент деления входного напряжения (для данной схемы А = 10). Результаты занести в табл. 1.

2.2.6. Сравнить экспериментально полученные и рассчитанные в п. 1 значения К . Объяснить причины расхождений, если таковые имеются.

2.3. Третье лабораторное задание. Изучить передаточную характеристику ОУ.

2.3.1. Переключатель развертки осциллографа перевести в положение “Х”, переключатель “Чувствительность” в положение “1 В/см”. Переключатель П2 - на макете - в положение “ “, соответствующее прямой подаче сигнала с генератора на входы “Х” и “Y” осциллографа. Установить частоту сигнала генератора 50 Гц, а амплитуду сигнала 2,5 В. Определить чувствительность канала “Х” (т.е., скольким вольтам соответствует 1 см по горизонтальной оси).

2.3.2. Установить переключатель “Чувствительность” осциллографа в положение “5 В/cм”, переключатели П2 и П3 на макете - П2 , П3 .

35

2.3.3.Зарисовать наблюдаемую на макете осциллограмму (Uвых(Uвх)) для случаев инвертирующего (П1 ) и неинвертирующего (П1 ) включений ОУ.

2.3.4.Измерить Uвыхm - амплитуду максимального выходного напряжения (см. рис. 2а).

2.3.5.В соответствии с п. 5 задания 2 определить модули коэффициентов усиления для инвертирующего и неинвертирующего включений, измерив Uвых и Uвх для любой точки на ли-

нейном участке характеристики. Сравнить К со значениями, которые были получены в п. 5 задания 2.

2.4. Четвертое лабораторное задание. Изучить амплитуд- но-частотную и фазочастотную характеристики ОУ

2.4.1.Установить переключатель П3 в положение “ “, П1

-в положение “ “.

2.4.2.Установить частоту генератора 50 Гц, а амплитуду сигнала Uвх ~(1 - 2)В.

2.4.3.Поддерживая амплитуду Uвх постоянной и изменяя частоту от 50 Гц до 200 кГц, определить зависимость от частоты

модуля коэффициента усиления К (в соответствии с п. 5 задания 4.2) и угла сдвига фаз ( ) между входным и выходным напряжением.

а b

Рис. 7. Осциллограмма Uвых (Uвх) при наличии фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.

Угол сдвига фаз рассчитывают по формуле:

= arcsin a/b,

36

где отрезки a и b, выраженные в произвольных единицах, определяют из осциллограмм в соответствии с рис. 7. Результаты измерений занести в табл. 2.

2.4.4. Построить графики зависимостей К (lgf) и (lgf).

5.Контрольные вопросы

5.1.Перечислить и пояснить основные технические пока-

затели ОУ.

5.2.Из каких каскадов обычно состоит ОУ и какие требования предъявляются к каждому из этих каскадов?

5.3.Какова схемотехника каскадов ОУ?

5.4.Пояснить логарифмический частотный критерий устойчивости Боде.

5.5.Рассказать о методах частотной коррекции.

5.6.Получить формулу для коэффициента усиления инвертирующего усилителя в предположении об идеальности ОУ.

5.7.Получить формулу для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя в предположении об идеальности ОУ.

5.8.Объяснить ход зависимостей Uвых(Uвх), К (lgf) и(lgf), полученных в работе.

Библиографический список

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. / Г.С. Остапенко - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с.