Балансировка оу схема автоматической балансировки оу

Раздел 3. Операционные усилители (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8

Раздел 3. Операционные усилители.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О микросхемАХ

Современный операционный усилитель (ОУ) представляет собой микросхему, которая включает в себя несколько каскадов усиления сигнала, при этом между каскадами отсутствуют разделительные конденсаторы, т.е. существует непосредственная гальваническая связь между последовательной цепочкой каскадов усиления. Такие усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами называют усилителями постоянного тока (с таким же основанием можно было бы также назвать их усилителями постоянного напряжения, однако это не является общепринятым). В таких усилителях приращение постоянного напряжения на входе вызывает приращение постоянного напряжения на выходе , усиленное в некоторое количество раз, которое равно коэффициенту усиления , т.е.

Операционный усилитель имеет очень большой коэффициент усиления порядка (). Такая величина усиления, как правило, слишком велика для обычного усилительного каскада. Для того чтобы построить схему усилителя с заданным коэффициентом усиления, к операционному усилителю подключают цепь отрицательной обратной связи. Сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает с выхода ОУ на его вход в противофазе с входным сигналом (со знаком минус) и, следовательно, вычитается из него. Отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления схемы до необходимой заданной величины. Кроме того, как будет показано ниже, ООС стабилизирует коэффициент усиления, а также снижает нелинейные искажения сигнала, порожденные усилительными каскадами.

Упрощенная блок-схема внутреннего строения О.У. приведена на рис. 1.1. Входной каскад О.У. — это всегда дифференциальный усилитель, который как известно, имеет два входа. Соответственно и операционный усилитель имеет два входа, которые получили названия: «инвертирующий вход» и «неинвертирующий вход». Входной сигнал можно подавать на любой из этих двух входов. Различие состоит в том, что при подаче положительного приращения напряжения на неинвертирующий вход мы получим на выходе положительное (неинвертированное) приращение напряжения, а при подаче положительного приращения напряжения на инвертирующий вход мы получим на выходе отрицательное (инвертированное) приращение напряжения.

Рис.1.1. Блок- схема внутренней структуры операционного усилителя.

После входного дифференциального каскада следует второй усилительный каскад. Это может быть как дифференциальный каскад, так и каскад с общим эмиттером. При построении О.У. часто применяют каскады с активной нагрузкой для получения максимального усиления в одном каскаде. В схеме О.У. имеется также специфический каскад сдвига уровня постоянного напряжения. Задача этого каскада заключается в том, чтобы сбалансировать распределение напряжений в схеме таким образом, чтобы при нулевых напряжениях на входах усилителя выходное напряжение также было бы равно нулю. После каскадов основного усиления и каскада сдвига уровня следует выходной (оконечный) каскад, который имеет низкое выходное сопротивление. В качестве выходного каскада нередко применяют эмиттерный повторитель, который характеризуется низким выходным сопротивлением.

При применении О.У. для построения разнообразных схем не обязательно знать его внутреннее устройство, электрическую схему, технологию его изготовления. ОУ обычно рассматривают как некоторый компонент схемы — активный электронный прибор, обладающий некоторым набором свойств, и характеризующийся некоторым набором параметров, которые приводятся в справочниках.

Операционный усилитель обозначают на принципиальной электронной схеме в виде треугольника с выводами, как это показано на рис.1.2.

Выводы входов и выхода обязательно изображают на чертеже, их назначение очевидно: ввод и вывод сигналов, подключение цепей обратной связи.

Выводы питания иногда не изображают, подразумевая, что они существуют и подключены к источникам питания обычным стандартным образом.

Выводы «частотная коррекция» служат для подключения цепочек, корректирующих амплитудно — частотную и фазово-частотную характеристики О.У. с целью обеспечения его устойчивой работы в определенном диапазоне значений коэффициентов обратной связи. В некоторых типах усилителей выводы отсутствуют. Такие усилители имеют внутреннюю коррекцию, встроенную в саму микросхему, и не требуют внешних корректирующих цепей. Если же микросхема имеет выводы «частотная коррекция», то параметры корректирующей цепи и схема подключения элементов корректирующей цепи обычно приводятся в справочниках.

Рис.1.2. Обозначение операционного усилителя на схеме. Выводы ОУ.

Выводы «балансировка» предназначены для подключения выводов потенциометра (т.е. переменного сопротивления). При этом центральный вывод потенциометра подключается к источнику питания. Индивидуальные рекомендации по подключению цепи «балансировка» даются в справочнике для конкретной микросхемы. Конечная цель балансировки обычно состоит в том, чтобы достичь установки нулевого постоянного напряжения на выходе ОУ при нулевой разности постоянных напряжений на входах ОУ. В некоторых типах усилителей выводы «балансировка» могут отсутствовать, в особенности, если в одном корпусе размещено несколько микросхем ОУ и количества ножек, т.е. контактов корпуса, достаточно лишь только для размещения цепей питания, входов и выходов операционных усилителей.

Рассмотрим пример размещения О.У. в стандартном корпусе. Для примера возьмем высокоточный (прецизионный) операционный усилитель типа К140УД17, размещенный в металлостеклянном корпусе круглой формы (типа 301.8-2) и аналогичный О.У. КР140УД17 размещенный в прямоугольном пластмассовом корпусе (типа 2101.8-1)

Рис.1.3. Расположение выводов операционного усилителя типа К140УД17 в круглом металлостеклянном корпусе (слева), и операционного усилителя типа КР140УД17в прямоугольном пластмассовом корпусе (слева), вид сверху.

На этих рисунках порядок номеров выводов располагается против часовой стрелки. Это соответствует ситуации, когда мы смотрим на микросхему сверху, т.е. со стороны корпуса. Со стороны выводов (ножек) отсчет следует вести по часовой стрелке, начиная от ключа. Ключ – это выступ или выемка на корпусе микросхемы.

Рассмотрим в предварительном порядке некоторые параметры операционного усилителя на примере микросхемы К140УД17А, (КР140УД17А)

Напряжение питания: +15В , -15В.

Входной ток: не более 4 наноампер (А), эта величина очень мала, вместе с тем, существуют усилители, которые имеют входные токи в сотни раз меньшие, чем указанный выше.

Коэффициент усиления: не менее 200000

Частота единичного усиления: . Эта величина характеризует полосу пропускания усилителя. Усиление ОУ уменьшается при увеличении частоты и спадает до величины при частоте .

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (Вольт на микросекунду). Эта величина, довольно невысокая у данного усилителя, характеризует скорость увеличения выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения. Данная характеристика связана с полосой пропускания О.У.

Напряжение смещения, Этот параметр характеризует неточность внутренней балансировки О.У. при отсутствии внешних цепей балансировки усилителя. Для данного ОУ К140УД17А величина составляет не более 75 мкВ.

Поясним физический смысл этого параметра. Предположим что мы закоротили, т.е. объединили одним проводом входы операционного усилителя. При этом разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Несмотря на это, напряжение, измеренное на выходе О.У., не будет равно нулю вследствие некоторого дисбаланса элементов внутри микросхемы. Для того, чтобы напряжение на выходе стало равным нулю необходимо между входами включить некоторый источник напряжения, . Это напряжение называют напряжение смещения.

По известной величине напряжения смещения легко оценить величину погрешности усилителя на выходе усилителя, который охвачен отрицательной обратной связью и имеет коэффициент усиления .

Эта погрешность равна .

Источник

Балансировка оу

Как и в простейшем дифференциальном усилителе, в реальном ОУ существует разбаланс. На рис.4.4,а приведена эквивалентная схема включения источника Uб балансировки напряжения смещения в цепь неинвертирующего входа. На рис.4.4,б представлена передаточная характеристика (кривая 1) реального ОУ, сбалансированного подачей внешнего напряжения Uб.

Кривые 2 и 3 этого рисунка соответствуют некоторому собственному смещению нулевого уровня. При этом, когда оба входа ОУ заземлены, на выходе имеется некоторое напряжение дрейфа Uвыхдр, которое пересчитывается через коэффициент усиления ОУ во входное напряжение смещения Uсм. Таким образом, принцип балансировки ОУ основан на компенсации внутреннего входного напряжения смещения Uсм с помощью встречно включенного внешнего источника.

Рисунок 4.4 — Балансировка ОУ: а- включение источника балансировки Uб ; б- передаточные характеристики сбалансированного ОУ (кривая 1) и несбалансированного ОУ (кривые 2 и 3)

Приведем основные параметры ОУ, которые характеризуют его качество:

Коэффициент усиления К— отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения.

Напряжение смешения Uсм — напряжение, которое надо приложить между входами ОУ для получения выходного напряжения равного нулю.

Средний входной ток iвх – среднее арифметическое значение входных токов, измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение ОУ равно нулю.

Разность входных токов iвх — абсолютное значение разности токов двух входов, измеренных тогда, когда напряжение на выходе равно нулю.

Входное сопротивление Rвх— сопротивление одного из входов ОУ, в то время как другой вход заземлен. Это сопротивление также называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала Lсф — отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала К к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ксф и обычно выражается в децибелах:

.

Выходное сопротивление Rвых — отношение приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его приращению выходного тока.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами. Частота единичного усиления f1 на которой коэффициент усиления ОУ равен единице и максимальная скорость нарастания выходного напряжения при подаче на его вход импульса прямоугольной формы.

4.2 Описание схем экспериментаВ работе исследуются две схемы усилителей постоянного тока. На рис.4.5 приведена схема дифференциального усилителя, который питается от двух источников напряжения к и –Еэ. Выходное напряжение каскада определяется между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 в зависимости от подачи на их базы дифференциального или синфазного входных сигналов.

Рисунок 4.5 — Схема дифференциального усилителя

Рисунок 4.6 — Схема исследования операционного усилителя

На рис.4.6 приведена схема исследования операционного усилителя (ОУ). Для снятия передаточной характеристики ОУ производится предварительная балансировка с помощью подачи компенсирующего напряжения на делитель R3,R4 (гнездо Х8) с ослабление сигнала 1:200. Входной сигнал подается на делитель R1, R2 (гнездо Х7) с ослаблением сигнала 1:2000. Ключ S1 подключает нагрузку Rн к выходу ОУ (гнездо Х9).

Приведенные схемы имеют такое же изображение на накладной панели стенда с указанием номеров контрольных точек (соответственно рис.1 и рис.2).

Входные сигналы для обеих схем задаются от источников Е1 (гнездо Х1) и Е2 (гнездо Х2), величины которые устанавливаются с помощью ручек «Е1» и «Е2». Гнезда Х3, Х4, Х5, Х6 и Х9 предназначены для измерений напряжений в контрольных точках схем.

4.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции.

4.3.1 Исследование дифференциального усилителя (рис.4.5)

4.3.1.1 Снять передаточную характеристику дифференциального усилителя при Uвх2=0. Для этого с помощью перемычек подключить источники сигналов Е1 (Х1) и Е2 (Х2) к входам дифференциального усилителя (Х4 и Х5). Установить Е2=Uвх2=0 . Изменять Е1=Uвх1 от –0,6В до +0,6В и фиксировать потенциалы коллекторов Uk1 и Uk2 (гнезда Х3 и Х5). Выходное напряжение определяется из соотношения с учетом знака разности. Данные измерений занести в табл.4.1.

4.3.1.2 Исследовать ослабление дифференциальным усилителем синфазного сигнала, равного .

Для этого установить с помощью ручек «Е1» и «Е2» сигналы одного знака, измерить потенциалы коллекторов Uk1 и Uk2 и определит Uвых для двух случаев:

4.3.2 Исследование операционного усилителя (рис.4.6)

4.3.2.1 Произвести балансировку ОУ путем компенсации на входе напряжения смещения Uсм. Для этого подключить источник Е2 на вход усилителя R3, R4 (гнездо Х8) с ослаблением сигнала 1:200. Вращая ручку «Е2», добиться значения выходного напряжения ОУ не более (0,1-0,4)В и зафиксировать значение сигнала на входе.

4.3.2.2 Снять передаточную характеристику ОУ . Для этого произвести повторную балансировку ОУ в соответствии с п.4.3.2.1. Затем подключить источник сигналов Е1 на вход делителя R1, R2 (гнездо Х7) с ослаблением 1:2000. Снять характеристику от максимального отрицательного напряжения –Е1, до максимального положительного +Е1. Входное напряжение ОУ равно . Данные измерений занести в табл.4.2.

4.3.2.3 Определить выходное сопротивление ОУ. Для этого повторить балансировку ОУ при Е1=0. Затем установить на выходе усилителя напряжение +(45) В и зафиксировать его значение Uвых1. Нажать кнопку S1 и при подключенной нагрузке Rн зафиксировать значение Uвых2.

4.4 Обработка результатов эксперимента и оформление отчета

4.4.1 По данным п.4.3.1.1 построить передаточную характеристику дифференциального усилителя. Определить из передаточной характеристики коэффициент усиления на линейном участке, а также максимальные значения выходного напряжения и , соответствующие участкам насыщения.

4.4.2 Используя п.4.3.1.2, определить коэффициент усиления синфазного сигнала . Сравнить с коэффициентом усиления дифференциального сигнала Kg, который численно равен значению Ku, определенному в п.4.4.1.

4.4.3 Используя данные п.4.3.2.1, определить напряжение смещения ОУ .

4.4.3 Построить передаточную характеристику ОУ по данным п.4.3.2.2 и определить коэффициент усиления , а также максимальные значения выходного напряжения и .

4.4.4 По данным п.4.3.1.3 определить выходное сопротивление ОУ по формуле

,

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальные схемы эксперимента, формулы, таблицы и графики, полученные в результате эксперимента и расчета. Отчет должен включать краткий анализ и выводы по результатам эксперимента и расчета.

Что такое дрейф нуля и причины его появления в УПТ?

Что такое дрейф нуля, приведенный ко входу УПТ?

Каковы особенности схемы дифференциального каскада?

Опишите стабилизацию режима покоя дифференциального каскада при изменении питающего напряжения или температуры.

Почему резистор Rэ увеличивает стабильность схемы и не влияет на коэффициент усиления дифференциального каскада?

Опишите способы подачи входного сигнала в УПТ.

Объясните, почему дифференциальный усилитель не усиливает синфазный сигнал.

Опишите общую структуру операционного усилителя (ОУ).

Объясните вид кривой передаточной характеристики ОУ.

Перечислите основные параметры ОУ

Как осуществляется в работе балансировка ОУ?

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Оцените статью
REMNABOR
Adblock
detector