Учебное пособие: Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике Новосибирск, 1997

РЭЛ 4

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра радиофизики

Операционные усилители

Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике

Новосибирск, 1997

Лабораторная работа посвящена изучению операционных усилителей и схем их включения. В методическом пособии разъясняется принцип работы операционного усилителя, приводятся основные параметры и стандартные схемы включения.

В задачу студента входит изучение основных параметров операционных усилителей и схем их включения, измерение основных параметров ОУ, макетирование и наладка некоторых электронных схем с их применением.

Составитель Г.И. Кузин

Печатается по решению кафедры радиофизики

Оглавление

Введение............................................................................................................................ 3

1. Параметры операционных усилителей............................................................... 5

2. Схемы включения операционных усилителей.................................................. 8

3. Практические задания............................................................................................ 12

3.1. Измерение (U_см ), (f₁ ), (I_вх ), (DI_вх ).................................................................... 13

3.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного шума....... 14

3.3. Интегратор........................................................................................................ 14

3.4. Компаратор с гистерезисом......................................................................... 14

3.5. Прецизионный выпрямитель........................................................................ 15

3.6. Измерение малых сопротивлений............................................................... 15

3.7. Измерение э.д.с. термопары.......................................................................... 15

Литература.................................................................................................................... 16

Справочные данные некоторых ОУ....................................................................... 16

Ó Новосибирский государственный университет, 1997

Введение

Операционный усилитель (ОУ) – это электронный усилитель, предназ­на­ченный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэф­фи­ци­ен­том усиления K₀ , малыми входными токами I_вх , большим входным сопро­тив­лением R_вх , малым выходным сопротивле­нием R_вых , достаточно большой граничной частотой усиления f_гр , малым смещением нуля U_см . Под больши­ми и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах мож­но считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Для идеального ОУ K₀ = ¥; I_вх = 0; R_вх = ¥; R_вых = 0; f_гр = ¥; U_см = 0.

Основное назначение операционного усилителя – построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). На основе ОУ создаются прецизионные масштабирующие усилители, генераторы функций, стабилизаторы напряжения и тока, активные фильтры, логарифмирующие и потенцирующие усилители, интеграторы и дифференциаторы и т.д. Можно насчитать более 100 стандартных схем включения ОУ общего применения.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема ОУ (часть схемы, обозначенная штриховкой, не приведена).

Независимо от слож­ности внутреннего устройства первый каскад состоит из дифференци­аль­ного усилителя (ДУ), который определяет входные свойства ОУ. Использование полевых транзисторов на входе делает входные токи очень малыми (от 10^‑9 А до 10^‑12 А). Второй каскад служит для усиления и согласования по сопротивлению входного и выходного каскадов.

Оконечный (выходной) каскад служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т.е. позволяет получить малое выходное сопротивление.

Операционные усилители обычно питаются от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжение +U_п , – U_п относительно нулевого провода ("земли"). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ±3В до ±18В.

Выходное напряжение ОУ связано со входным дифференциальным сигналом простым выражением

U_вых = K₀ ×(U_вх+ - U_вх- ), (1)

где К₀ - коэффициент усиления без обратной связи. Величина К₀ для разных типов ОУ изменяется в диапазоне 10³ ¸ 10⁷ .

Вследствие большого коэф­фи­циента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как малые полезные сигналы, так и собственные шумы и внешние наводки. Несимметрия внутренних элементов, нестабильность параметров приводит к тому, что без отрицательной обратной связи ОУ просто непригоден для работы в линейном режиме, так как напря­жение U_вых под влиянием шумов, наводок, температурных уходов будет принимать значения, близкие к напряжению источников питания (режим насыщения выходного кас­када). Основной причиной, по кото­рой К₀ делают большим, явля­ется обеспечение высокой стабиль­ности параметров при глубокой ООС.

Примеры схемных обозначений ОУ приведены на рис. 2. Обычно на схемах ОУ обозначается треуголь­ни­ком с указанием инвертирующего и неинвертирующего входа с помо­щью значков "– " и "+" (рис. 2,а), реже – прямоугольником с инверти­ру­ющим входом в виде кружка (рис. 2,б). Изображения, приведен­ные на рис. 2,а и 2,б, используются, как правило, в функциональных или упрощенных схемах, остальные – в принципиальных схемах.

1. Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ (К ₀ ) равен отношению приращения выход­ного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному сигналу (току) при отсутствии ОС. К₀ является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC‑цепочки. Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксими­ру­ется диаграммой Боде (рис. 3,а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис. 3,а внизу. Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается ООС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте ве­личина К₀ b ³ 1, где b – коэффициент ОС, то отрицательная ОС прев­ращается в положительную , что приводит к самовозбуждению схемы.

Рис. 3. а) Аппроксимированная логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характе­рис­тики (ФЧХ); б) статическая передаточная характеристика

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характе­ристику ОУ к звену первого порядка, как на рис. 4. Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (R_вх ) определяется как отношение DU_вх /DI_вх при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия, величина их может отличаться на несколько порядков. Типовые значения R_вх на низких частотах для биполярных входов – 10⁴ ¸10⁸ Ом, для полевых – 10⁷ ¸10¹² Ом.

Выходное сопротивление R_вых – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение U_хх /I_кз (напряжение холостого хода / ток короткого замыкания), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотен Ом. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротив­ление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовое значение R_вых для ОУ широкого применения 100 ¸1000 Ом.

Входной ток смещения (I_вх ) - ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под I_вх подразумевают среднее ариф­ме­тическое двух токов I_вх+ и I_вх . Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких преде­лах: для биполярных входных транзисторов – 10^‑5 ¸10^‑8 А, для полевых – 10^‑9 ¸10^‑12 А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения I_вх .

Разность входных токов (ток сдвига) DI_вх = |I_вх+ - I_вх- | определяется при заданном значении входного напряжения. Разность DI_вх вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет вели­чи­ну 1¸5 мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (U_см ) определяется как разность напряжений на входах, при котором U_вых = 0 при оговоренных сопротивлениях резис­то­ров, подключаемых ко входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют э.д.с. смещения (E_см ) . Для ОУ с биполярными транзисторами на входе U_см зависит в основном от разброса напряжений DU_э,б эмиттерно-базовых переходов и составляет 1¸10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе U_см обычно в несколько раз больше (до 30 мВ), что объясняется их меньшей крутизной. Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обрат­ной связью, подать точно равные напряжения, например, оба входа заземлить, на выходе скорее всего будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения U_вых = U_см ×K₀ ~10^‑2 ×10⁵ = 1000В >>E_пит . Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выход­ное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балан­си­ровка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного ДУ с помощью переменного резистора, подключае­мого к специальным выводам (R_бал. на рис. 1). Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и балансируются по входу (140УД5, рис. 2,е).

Средний температурный дрейф напряжения смещения ( DU_см / DT) – максимальное изменение U_см при изменении температуры на 1°C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в мкВ/°C. Типовые значения для биполярных входов 5¸20 мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20¸100 мкВ/°C. Если U_см можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток I_вх и разность входных токов DI_вх тоже изменяются с температурой.

Частота единичного усиления (f₁ ) - это частота, на которой |K₀ (f₁ )| = 1. Характерная зависи­мость коэф­фициента усиления от частоты приведена на рис. 3,а и 4, где ЛАХ пересе­кает уровень 0 дБ в точках f₁ .

Граничная частота (f_гр ) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 децибела: |K(f_гр )| = 0.707×|K(0)|.[1] Область частот 0 ¸ f_гр называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу про­пус­кания (график 2 на рис. 4).

Скорость нарастания выход­ного напряжения определяется как dU_вых /dt при воздействии импу­льса большой амплитуды. Изме­ря­ется в В/мкс. Для разных ОУ меня­ет­ся в преде­лах от 0.1 В/мкс (прецизионные ОУ) до 100 В/мкс (быстродей­ствую­щие ОУ). Этот параметр стано­вится важным, если ОУ исполь­зу­ется в качестве компа­ратора (раз­ли­чи­теля) уров­ней сигналов в быстродейству­ю­щих схемах.

Диапазон выходного напря­же­ния ( DU_вых ) – это диапазон зна­че­ний выходного напряжения, при котором параметры ОУ ле­жат в гаранти­ро­ванных преде­лах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона раз­личны. Например, для 544УД2 DU_вх =10В при Е_п = ±15В (симметричный выход); для 140УД5 DU_вх = +6В/– 4В при Е_п = ±12В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений ( DU_вх.сф ) – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3¸5 В меньше Е_п .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же U_вых . Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50 дБ (140УД5А) до 120 дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (I_вых.max ). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1¸400 мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих пара­метров может стать самым важным и определяющим выбор типа ОУ.

2. Схемы включения операционных усилителей

Как уже упоминалось выше, нормальная работа ОУ в линейном режиме возможна только в схемах с глубокой ООС. Для понимания ра­бо­ты таких схем полезно понятие виртуального, или мнимого, заземления .

Инвертирующий усилитель. Рассмотрим схему на рис. 5.

Рис. 5. Рис. 6.

Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель

Потенциал на неинвертирующем входе U_B = 0. Так как ОУ находится в линейном режиме, из (1) следует U_B - U_A = U_вых /К₀ . Например, при U_вых ~ 5В, К₀ ~2×10⁵ получаем U_A ~ 25 мкВ. Такое малое напряжение (оно сравнимо с величиной термо‑э.д.с. при DT~1°C) даже невозможно измерить обычным цифровым вольтметром. Отсюда следует, что потенциалы на входах ОУ можно с хорошей точностью считать равными. Если один из входов ОУ заземлить, на втором входе будет также поддерживаться нулевой потенциал, хотя напрямую входы ОУ гальванически не связаны. Этот эффект называется виртуальным, или мнимым, заземлением.

Таким обра­зом, из U_В = 0 следует U_А = 0, U_вх ‑ U_A = U_вх (падение напря­жения на R₁ ); U_вых ‑ U_A = U_вых (падение напря­жения на R₂ ). Поскольку входной ток ОУ очень мал (I_вх- <<I₁ ), им можно пренебречь, тогда получим I₁ = U_вх /R₁ = -U_вых /R₂ . Это означает, что для инвертирующего усилителя K_ОС = U_вых /U_вх = ‑R₂ /R₁ .

Для минимизации влияния токов смещения вход "+" заземляется через резистор R₃ » R₁ ||R₂ .

Входное сопротивление этой схемы равно R_вх.ОС = R₁ , так как U_А = 0 (мнимое заземление).

Выходное сопротивление R_вых.ОС = 0 , так как R_вых.ОС = dU_вых /dI_вых , а U_вых = ‑(R₂ /R₁ )×U_вх от I_вых не зависит. Это не означает, конечно, что к выходу ОУ можно подключать нагрузку сколь угодно малого сопротивления, так как I_вых.max ограничен: R_н.min = U_вых /I_вых.max , т. е. минимальное сопротивление нагрузки на выходе ОУ зависит от амплитуды выходного напряжения .

Как видим, понятие мнимого заземления и идеализация ОУ (I_вх = 0, К₀ = ¥) существенно облегчают анализ схем включения ОУ, а точный расчет может добавить только члены порядка К_ОС /К₀ << 1, например для вы­ход­ного сопротивления вместо нуля будем иметь

R_вых.ОС = . (2)

При R_вых = 200 Ом, К₀ = 2×10⁵ , R₂ /R₁ » 10 R_вых.ОС » 10^‑2 Ом – сопротив­ле­ние обычного медно­го провода диаметром 0.3 мм и длиной всего 5 см!

Неинвертирующий усилитель мож­но получить, подавая сигнал на неин­вертирующий вход, а цепь ООС – на инвертирующий, как показано на рис. 6. Напряжение ОС сни­мается с делителя: U_A = U_вых ×R₁ /(R₁ +R₂ ). Так как U_A = U_вх , коэффициент усиления K_ОС = U_вых /U_вх = 1 + R₂ /R₁ .

Входное сопротивление схемы R_вх.ОС = R_вх ×К ₀ ×R₁ /(R₁ + R₂ ) – как всегда при последовательной ООС входное сопротивление увеличивается.

Выходное сопротивление R_вых.ОС @ 0.

Аналоговый сумматор. На ОУ легко реализовать аналоговый сум­мирующий усилитель (рис. 7). По первому закону Кирхгофа с учетом мнимого заземления получаем

I₁ + I₂ + I₃ = I_ОС ;

.

Если величины сопро­тив­ле­ний R₁ , ... R_n выбрать равными, то на выходе получим сумму входных напряжений. Если же R₁ , ... R_n взять кратными степени двойки: R_n = R×2^n‑1 , а на входы U_n через ключи, управляемые цифровым кодом, подать эталонное напря­же­ние, то получим прос­тейший цифро-аналоговый преобразова­тель – ЦАП.

Аналоговый интегратор. Рассмотрим схему на рис. 8,а. Ток I_вх = I_R = U_вх /R = I_C = C×dU_C /dt (мнимое заземление). Следовательно, с учетом полярности U_C , получаем

, (3)

где U₀ – напряжение на выходе при t = 0 (емкость C может быть заряжена перед началом интегрирования).

Рис. 8. Интегрирующий (a) и дифференцирующий (б) усилители

Нулевое начальное условие можно задать при помощи управляемого ключа (обычно МОП-транзистора). Если R>>r_кл ~50 Ом, то при замкну­том ключе К_ОС » 0, U_вых = U_C = 0; при разомкнутом идет интегрирование.

Точность вычисления интеграла определяется коэффициентом усиления К₀ , входными токами ОУ, напряжением смещения U_см . Для интеграторов обычно используются ОУ с полевыми транзисторами на входе и конденсаторы с малыми токами утечки.

С помощью интеграторов можно решать обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе нелинейные (аналоговые вычислительные машины).

Дифференцирующий усилитель получается, если R и C поменять местами (рис. 8,б): К_ОС (w) = ‑jwRC = ‑pRC, где p = jw - отображение операции дифференцирования. Эта схема сравнительно редко исполь­зу­ется на практике, так как обладает большим К_ОС на высоких частотах и усиливает импульсные наводки и собственные шумы.

Логарифмический усилитель (ЛУ). Для получения логарифмической зависимости U_вых ~lg(U_вх ) в цепь ОС вводят нелинейный элемент – диод или биполярный транзистор (рис. 9,а).

Рис. 9. Логарифмирующий (а) и потенцирующий (б) усилители.

Ток, протекающий в цепи ОС, при I_вх- = 0, равен коллекторному току транзистора и определяется равенством

, (4)

где I_ко – тепловой ток p‑n перехода (обратный ток коллектора), U_эб – нап­ря­жение на переходе эмиттер-база, k - постоянная Больцмана, T - температура в град. К, q - заряд электрона, h - постоянная рекомбинации. Величина hkT/q = j_т называется температурным потенциалом; j_т » 26 мВ для герма­ния, j_т » 30 мВ для кремния. Для большинства транзисторов I_ко < 10^‑8 А.

С учетом U_эб > 30 мВ, I_ко << I_k из (4) следует

. (5)

Потенцирующий усилитель получается, если резистор и транзистор в цепи ОС поменять местами (рис. 9,б). Все расчеты аналогичны.

Так как ЛУ часто применяются для расширения диапазона измеряемых токов (для схемы рис. 9,а этот диапазон составляет 9 декад 10^‑12 А < I_k < 10^‑3 А), в них используются ОУ с полевыми транзисторами, которые тщательно балансируют (при этом зануляется и второй член в (5)). Принимаются также меры для компенсации температурного дрейфа, поскольку в (4) температура входит явно.

С помощью ЛУ можно возводить в произвольную степень и перемно­жать аналоговые сигналы. Точность ЛУ невелика - порядка нескольких процентов. Схемы рис. 9 работают только с однополярными сигналами.

Прецизионный выпрямитель. Полупроводниковые диоды непригодны для выпрямления сигналов амплитудой меньше 1 В, так как для получения заметной проводимости на кремниевые диоды нужно подать смещение примерно 0.7 В, а на германиевые - около 0.4 В. Применение ОУ позволяет получать выпрямители, хорошо работающие с сигналами до 1 мВ. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 10,а.

Рис. 10. Однополупериодный выпрямитель

Эпюры напряжений, показанные на рис. 10,б, поясняют работу схемы. При положительном входном сигнале ток течет через диод D₁ , а при отрицательном - через диод D₂ . Рассуждения, полностью аналогич­ные тем, что проводились при рассмотрении инвертирующего усилителя, приводят к выводу, что коэффициент передачи U⁺ _вых /U_вх равен ‑1 для отрицательной полуволны на входе, равен 0 для положительной. От характеристик диодов качество выпрямителя практически не зависит, от них требуется только малый обратный ток.

Для двухполупериодного выпрямления требуется еще один ОУ для получения суммы {U_вх + 2×U⁺ _вых } (см. рис. 10,б).

3. Практические задания

По результатам выполнения практических заданий составьте итоговую таблицу для измеренных параметров ОУ (U_см ), (I_вх ), ( DI_вх ), (f ₁ ), ( DU_см / DT), (dU_вых /dt) в сравнении со справочными данными.

Измерения, имеющие оценочный характер, можно проводить с помощью осциллографа. Это удобно еще и потому, что, если ОУ возбудится, то сразу будет видно. Но для точности следует использовать цифровой или стрелочный вольтметр, а по осциллографу контролировать возбуждение.

При больших К_ос измерения следует проводить после выравнивания температуры спаев, иначе контактная термо-э.д.с. может сильно исказить результат.

3.1. Измерение (U_см ), (f ₁ ), (I_вх ), (DI_вх )

а) Соберите схему по рис. 11,а с биполярным ОУ (140УД7, 140УД708) при значениях резисторов R₁ = R₃ = 100 Ом, R₂ = 10 кОм. Напряжение питания ±6¸12 В.

Заземлите вход. По измеренному U_вых , найдите (U_см ) и сравните его со справочными данными. По справочным же данным оцените влияние входных токов смещения. Так как измеряется U_см , то напряжение сдвига, вызванное разностью входных токов, должно быть много меньше U_см .

Рис. 11. Инвертирующий усилитель (а); балансировка ОУ по входу (б)

б) Для компенсации смещения нуля по измеренному U_см рассчитайте величину резистора R_x , а по знаку U_см - полярность напряжения питания, к которому его следует подключить (рис. 11,б). Сбалансируйте ОУ.

в) Подайте на вход инвертирующего усилителя (R₁ ) синусоидальный сигнал уровня 10¸20 мВ. Измеряя U_вых на разных частотах, постройте ЛАЧХ, подобный рис. 4. Определите частоту единичного усиления (f ₁ ) .

г) Разомкните цепь ООС, т. е. уберите R₂ и попытайтесь установить на выходе напряжение, близкое к нулю. Объясните результат.

д) Не меняя положения движка R₄ , отсоедините его от схемы и измерьте сопротивление между средним и нижним выводами (R_y ). Вычислите падение напряжения на R_y (компенсирующее напряжение) и сравните результат с предыдущим (пункт а).

е) Для сбалансированного ОУ, когда на среднем выводе переменного резистора R₄ установлено напряжение, равное (‑U_см ); замените резистор R₃ на номинал 100 кОм. Измерив U_вых , вычислите (I_вх+ ) и сравните результат со справочными данными.

ж) Замените резистор R₁ тоже на 100 кОм, а R₂ – на 1 МОм. По измеренному U_вых оцените разность входных токов ( DI_вх ) .

3.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного шума

Соберите схему по рис. 12 при значениях R₁ =R₃ =100 Ом, R₂ = 100 кОм, C = 0.1 мкф. Заземлите вход и тщательно сбалансируйте ОУ. На выходе ОУ должны наблюдаться плавные уходы напряжения в ту и другую сторону (так называемый "шум 1/F"). Подержите минуту-другую палец на корпусе ОУ, не касаясь выводов и деталей. Для уменьшения наводок (ваше тело в данном случае работает как антенна) палец другой руки удерживайте на "земле". Вы увидите систематический уход U_вых , если случайно вам не попался ОУ с нулевым температурным дрейфом. Оцените грубо ( DU_см / DT) .

Примечание. Конденсатор C служит для уменьшения шумов и наводок .

3.3. Интегратор

В схему по рис. 12 установите резисторы R₁ =R₃ =10 кОм, R₂ = 1 МОм, оставив C = 0.1 мкф и цепь балансиров­ки без изменений. Заземлите вход и тщательно сбалансируйте ОУ.

Подайте на вход прямоугольный сигнал со скважностью 2 (меандр) амп­литудой 1 В, частотой 1 кГц. Сигнал на выходе должен иметь треугольную форму с хорошей линейностью. Рассчитайте по формуле (3) амплитуду треугольного сигнала на выходе и сравните с измеренным значением.

3.4. Компаратор с гистерезисом

Соберите схему по рис. 13. Подайте на вход синусоидальный или треугольный сигнал амплитудой 100 мВ, частотой 100¸200 Гц. Вращая резистор R₄ , получите на выходе сигналы различной скважности.

В режиме большого входного сигнала (U_вх ~ 1¸3 В) определите скорость нарастания выходного напряжения (dU_вых /dt).

Подобная схема используется в ка­честве порогового устрой­ства для подсчета импульсов с ампли­тудой больше заданного уровня. Положи­те­льная ОС предотвращает срабаты­ва­ние схемы от шумов и наво­док, умень­шает фронты импульсов на выходе.

Вопрос . Какова минимальная ампли­туда входного сигнала при данных номиналах и Е_п ? Как зависит дли­тель­ность импульсов на выходе от глубины положительной ОС?

3.5. Прецизионный выпрямитель

Соберите схему по рис. 10,а, добавив в нее цепь балансировки. Вели­чину резисторов можно выбрать в диапазоне 3¸100 кОм. Подавая на вход синусоидальный сигнал различной амплитуды и частоты, наблюдай­те сигнал на обоих выходах. Определите минимальную амплитуду сигнала на частоте 1 кГц и верхнюю частоту сигнала с амплитудой 1 В, при которых форма сигнала на выходе визуально не отличается от рис. 10,б.

3.6. Измерение малых сопротивлений

С помощью ОУ можно прос­тыми средствами измерить весьма малые сопротивления (шунты), Соберите схему по рис. 14. К точ­кам А и Б при­па­яйте про­вод­ни­ки. Соединив кон­цы про­водников, сба­лан­си­руйте ОУ. Для обеспе­че­ния хороше­го контакта концы про­вод­ников сле­дует спаять. При­па­яй­те к концам провод­ни­ков мед­ный провод дли­ной ~10 см, диамет­ром ~0.5 мм. Измерив U_вых , вычислите R_x и удельное сопротивление меди.

3.7. Измерение э.д.с. термопары

В схеме рис. 14 уберите резистор, задающий ток шунта (100 Ом). К точкам А,Б припаяйте термопару. Подождите минуту-другую пока, выравнивается температура спаев, и сбалансируйте ОУ. На подставке паяльника расплавьте кусочек припоя и окуните в него спай термопары. Измерьте напряжение на выходе ОУ при температуре плавления U_вых (T_п ). Это напряжение легко определить по замиранию показаний вольтметра при остывании образца. Вычислите э.д.с. термопары. Считая температуру холодного спая равной 296 K, а T_п = 456 K оцените среднее значение DU/DT [мкВ/град] в данном интервале температур.

Контрольные вопросы

1. Что такое виртуальное, или мнимое, заземление?

2. Привести формулы для К_ОС инвер­ти­рующего и неинвертирую­щего усилителя.

3. Какими причинами вызывается отличие выходного напряжения ОУ от нуля при заземленных входах?

4. Как зависит полоса усиления от глубины ООС?

5. Придумать схему двухполупериод­ного прецизионного выпрямителя.

6. Перечислить основные параметры ОУ и их характерные значения.

Литература

1. Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС. Руководство по анализу и расчету, М.: Мир, 1992.

2. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1989.

3. Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых схем, М.: Радио и связь, 1985.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1, М.: Мир, 1984.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.

6. Мячин Ю.А. 180 аналоговых микросхем: Справочник. М.: Патриот, 1993.

Справочные данные некоторых ОУ

вк – внутренняя коррекция; кз – защита от короткого замыкания на выходе.

[1] Напомним: K[дБ] = 20×lg(U_вых /U­_вх ) = 10×lg(P_вых /P­_вх ); 0.707 » 2^1/2 » 3дБ.