Лабораторная работа

Исследование операционного усилителя

Цель работы: Исследование и снятие характеристик операционного усилителя, включенного по схеме компаратора.

Краткие теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами при работе с обратными связями.

Основу всех ОУ составляют дифференциальные каскады. Первый каскад обеспечивает коэффициент усиления, достигающий нескольких сотен тысяч и единиц миллионов. Входной каскад, в котором часто используются полевые транзисторы, обеспечивает входные характеристики ОУ, в частности его высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности. Он служит для согласования высокого выходного сопротивления первого дифференциального каскада ОУ с низкоомным нагрузочным устройством, и поэтому имеет низкое выходное сопротивление. Кроме того, в состав современных ОУ входят цепи защиты по входу от перенапряжений и по выходу от превышения выходного тока.

ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 градусов относительно выходного напряжения, называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход является инвертирующим, так как напряжение на нем и выходное напряжение совпадает по фазе.

Рисунок 1. Амплитудная (передаточная) характеристика ОУ

На рисунке 1 изображена одна из важнейших характеристик- амплитудная (передаточная) характеристика ОУ, представляющая собой зависимость U_вых = f(U_вх) при нулевой частоте. Кривая 1 соответствует подаче входного напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 – на неинвертирующий вход. Эти характеристики получают при подаче входного напряжения на один из входов при отсутствии напряжения на другом входе. Наклонный участок кривых подчеркивает линейность зависимости U_вых=f(U_вх). Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму работы ОУ, при котором входное напряжение выходит за пределы линейного участка передаточной характеристики.

Значения максимального выходного напряжения, характеризующие эти участки, обычно на 1-2 В меньше напряжения питания.

ОУ характеризуется теми же параметрами, что и другие усилители:

1.      усиления К_у. Представляет собой отношение приращения Коэффициент выходного напряжения к вызвавшему его приращению входного напряжения. В современных ОУ К_у при нулевой частоте достигает значений от десятков и сотен тысяч до нескольких миллионов.

2.      Коэффициент усиления ОУ зависит от изменения напряжения питания, тока нагрузочного устройства, температуры окружающей среды. По этой причине ОУ (за исключением компараторов) не применяют без цепей внешней обратной связи, которые стабилизируют К_у.

3.      Напряжение смещения U_см определяется входным напряжением, при котором выходное напряжение равно нулю (Рисунок 1). Обычно в ОУ широкого применения U_см = 5-20 мВ.  Напряжение смещения  зависит от температуры и напряжения источника питания.

4.      Входной ток I_вх. Это ток во входной цепи ОУ, который может составить 0-100мкА. Его необходимо учитывать при подключении к обоим входам ОУ внешних электрических цепей. Входное сопротивление R_вх. Различают входные сопротивления для дифференциального сигнала R_вх.д. и синфазного сигнала R_вх._сф. Входное сопротивление для для дифференциального сигнала имеет значение от нескольких кОм для биполярных транзисторов до нескольких единиц и десятков Мом для полевых транзисторов, а R_вх.сф.>100Moм.

5.      Выходное сопротивление R_вых. Это сопротивление, измеренное со стороны нагрузочного устройства, представляет собой выходное сопротивление выходных каскадов ОУ,  построенных на эмиттерных повторителях. Значения R_вых = 20-2000 Ом.

Усиление сигналов различных частот определяется амплитудно – частотной характеристикой ОУ, а усиление импульсных (обычно прямоугольных) сигналов скоростью нарастания выходного напряжения.

Широкие функциональные возможности при небольшом числе стандартных типов ОУ, выпускаемых промышленностью, достигаются за счет включения разнообразных внешних цепей обратных связей. Наибольшее распространение получили интегральные полупроводниковые ОУ, обладающие наименьшими габаритами и массой, способные работать в диапазоне температур от –60 до +125 градусов. На работу подобных ОУ весьма слабо влияют такие дестабилизирующие факторы, как изменение температуры и питающего напряжения.

В настоящее время ОУ, изготовляемые по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми аналоговыми устройствами. ОУ широко применяются не только в усилителях, но также в различных генераторах, преобразователях, стабилизаторах напряжения, компараторах и т.д.

Рассмотрим принцип действия компаратора напряжения, выполненного на ОУ.

Компаратор- это сравнивающее устройство. Его входные аналоговые сигналы U_вх- анализируемый сигнал и U_оп- опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых- дискретный или логический сигнал, содержащий один бит информации:

    U_вых1 при U_вх- U_оп >0

U_вых =

    U_вых0 при U_вх- U_оп <0                                                          (1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и поэтому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор – это прежде всего неотъемлемый элемент для перехода от аналоговых к цифровым или логическим сигналам. Он не всегда при этом бывает выделен схематически, но так или иначе обязательно присутствует.

При нулевом входном сигнале реальный компаратор всегда имеет конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рисунок 2).

Рисунок 2

Чтобы состояние выхода изменилось на конечную величину| U_вых1 – U_вых0| при бесконечно малом изменении входа, нужно иметь бесконечно большой коэффициент усиления. Это можно достичь двумя способами: во-первых, использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, а во-вторых, ввести положительную обратную связь.

Первый путь приводит к двум неприятным последствиям: при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал так же будет меняться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем. При таком медленном изменении U_вх около нуля выход компаратора может многократно менять свое состояние под действием шумов и помех. Обычно применяемый выход из положения – введение положительной обратной связи, охватывающей усилитель с большим коэффициентом усиления К_у, а его выходной каскад делают подобным импульсному логическому инвертору, чтобы сформировать уровни логических 0 и 1. При U_вх<<U_оп выходной сигнал есть 0 и U_вых0 ≈ 0 В.

Пусть R1<<R2, тогда при U_вх ≈ U_оп выход схемы переключится в 1. Положим U_вых1 ≈ 3.5B, тогда в момент переключения схемы на входе “+” возникнет скачок положительного напряжения, удерживающий схему в состоянии 1, даже если U_вх и качнется слегка в отрицательную сторону. Напряжение U_вых схемы подтверждает входное воздействие и тем самым фиксирует ее состояние. Чтобы перевести выход схемы обратно в 0, требуется значение входного сигнала U_вх ≈ U_оп , а U_вх ≈ U_оп-U_вых1 R1/R2. Именно при этом значении U_вх разность потенциалов между входами  “+” и “-“ компаратора перейдет через 0В, что и вызовет его срабатывание. Напряжение на входе “+” скачком изменится в отрицательную сторону на величину – U_вых1*R1/R2, что подкрепит воздействие изменение U_вх.

Итак, компаратор – это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом и сдвигом и логическим выходом. Его выходной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т.е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить.

Схемы с использованием компараторов могут использоваться для индикации технологических процессов, различного оборудования и при автоматическом и полуавтоматическом контроле продукции.

При отсутствии жестких требований к быстродействию в качестве компараторов могут использоваться токоразностные и операционные усилители, в особенности, не имеющие внутренней частотной коррекции. При этом основные проблемы – исключение перегрузок и насыщения под действием больших входных перепадов и формирование необходимых логических  уровней выхода.

Оборудование: лабораторный стенд, осциллограф, соединительные провода.

Задание 1: Иcследование компаратора напряжения без обратной связи.

Порядок выполнения работы

1.      Ознакомиться со схемой компаратора напряжения на лабораторном стенде (Рисунок 3) .

2.      Подать питание на схему, соединив “+5В” источника питания с гнездом “+U_п” переменного резистора R42.

3.      Соединить гнездо “U_вых” резистора R42 с переменным резистором R14.

4.       Подсоединить входное гнездо компаратора напряжения “X1” c переменным резистором R14.

Рисунок 3. Схема исследования усилителя

5.     Подсоединить измерительный прибор PV2 на пределе измерения 10В к гнезду второго входа компаратора напряжения ”X3”. Общий вход измерительного прибора “*” подсоединить к нулевому выводу стенда.

6.     Установив рядом с лабораторным стендом осциллограф, подключить его к сетевой розетке.

7.     Выставив делитель осциллографа в положение “5V/дел”. Ручку “усиление” выставить в крайне правое положение. Режим “измерение” по входу “Y” выставить в положение одновременного измерения постоянного и переменного напряжения. Ручку синхронизации поставить в положение “1 ^mS/_дел”, а переключателя режима “СИНХР” в левое положение ”-“.

8.     Включить автомат подачи питания на стенд и сетевые тумблеры стенда и осциллографа.

9.     Подключиться обеими щупами осциллографа с белым и красным проводами к нулевым гнездам стенда.

10. Ручки “Уровень” и “Стабильн.” Выставить в крайнее правое положение.

11. Ручками «Вверх-вниз” и “Вправо-влево” добиться появления на экране горизонтальной линейной осциллограммы, расположенной точно по центру экрана.

12. Ручками “Фокус” и “Яркость” добиться ее четкости.

13. Щуп с красным проводом подключить к выходу компаратора напряжения на гнездо “X8”.

14. Переменным регулятором R14 стенда выставить по стрелочному вольтметру напряжение на входе компаратора.

15. Аккуратно вращая ручку R42 добиться появления осциллограммы переменной составляющей при переходе осциллограммы постоянной составляющей через ноль. Переменным резистором R14 произвести точную настройку.

16. Ручкой “Cтабильн” осциллографа остановить мелькание осциллограммы.

17. Зарисовать осциллограмму “Состояние выхода компаратора без обратной связи при равных значениях сигнала на входах”.

18. Проследить влияние наводок на уровень шумов и помех на выходе компаратора, касаясь соединительных проводов.

19. Объяснить неустойчивое состояние компаратора в этом режиме.

Осциллограмма: “Состояние выхода компаратора без обратной связи при равных значениях сигнала на входах”.

Масштаб “ 5V/дел”

“ 1 mS/дел”

Рисунок 4. Осциллограмма

Задание 2: Исследование компаратора напряжения при подключении положительной обратной связи.

Порядок выполнения работы

1.      На базе схемы первого опыта произвести исследование обратных связей.

2.      Подсоединить перемычкой между гнездами “X5” и “X11” положительную обратную связь из резистора R6 и VD1.

3.      Подсоединить вольтметр PV2 к гнезду “X3” входа компаратора.

4.      Переменным резистором R4 выставить напряжение на входе равное 1В при максимальном напряжении на дифференциальном входе резистором R42.

5.      После этого выставить переменный резистор R42 в крайнее левое положение и подсоединить вольтметр PV2 к гнезду “X2”.

6.      Плавно вращая переменный резистор R42 проследить за состоянием выхода компаратора при увеличении и уменьшении входного напряжения.

7.      Снимая показания вольтметра и осциллографа, построить графики зависимости напряжения U_вых от U_вх1 при увеличении и уменьшении входного напряжения. Данные измерений занести в таблицу 1.

8.      Объяснить этот режим работы.

Таблица 1 Данные измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.      Что такое операционный усилитель?

2.      Какими основными параметрами обладает операционный усилитель?

3.      В каких устройствах он применяется?

4.      Что такое компаратор напряжения, область его применения?

5.      Какой основной недостаток компаратора при нулевом входном сигнале?

6.      Для чего служит положительная обратная связь у компаратора напряжения?

Скачано с www.znanio.ru