Операционного усилителя

Целью работы является практическое ознакомление со схемами коррекции ОУ для предотвращения его паразитного самовозбуждения.

Основные сведения. В схемах на основе операционных усилителей (ОУ) существует опасность паразитного самовозбуждения, т. е. превращения схемы в автогенератор вопреки ee функциональному назначению. Такая опасность существует из-за двух причин: огромного значения коэффициента усиления ОУ и наличия паразитных емкостей, через которые может образовываться цепь положительной обратной связи. Из теории автогенераторов известно, что усилитель, охваченный цепью обратной связи, самовозбуждается при одновременном выполнении условий баланса амплитуд К γ ³ 1 и баланса фаз Δφ _К + Δφ_γ = n × 360°, n = 0, 1, 2,..., где К и γ – соответственно, коэффициенты передачи усилителя и цепи обратной связи; Δφ _К и Δφ_γ – сдвиги фаз в усилителе и в цепи обратной связи.

На высоких частотах у операционных усилителей происходит, с одной стороны, снижение К, а с другой – рост значения Δφ _К. Если допустить, что значения γ и Δφ_γ от частоты не зависят, причем Δφ_γ = 0 (это справедливо для многих схем на основе ОУ), то на низких и средних частотах (где Δφ _К = 180°, при инвертирующем включении ОУ) условие баланса фаз не выполняется и генерация не возникает. C увеличением частоты Δφ _К возрастает и может достигнуть 360° и больших значений. Однако генерация возникает только в случае, когда на этих частотах выполняется условие баланса амплитуд, т. е. при К > 1/ γ.

Склонность схемы к паразитному самовозбуждению можно оценить тремя способами, которые иллюстрирует рис. 7.1. Рисунки справа соответствуют схеме с большей склонностью к самовозбуждению.

Рис 7.1

Верхние графики отражают уровни шумов на выходе схемы, средние – форму выходных сигналов при подаче на вход усилителя прямоугольных импульсов, нижние – форму АЧХ усилителя.

Итак, для предотвращения паразитного самовозбуждения ОУ достаточно нарушить хотя бы одно из условий балансов амплитуд или фаз. Чаще всего это требование реализуется за счёт искусственного снижения К на частотах, где Δφ _К достигает 360°.

Искусственное изменение свойств любого усилителя с помощью подключения дополнительных (в первую очередь, реактивных) элементов называется коррекцией. Цель коррекции может быть разной. В транзисторных усилителях ею пользуются обычно для поднятия коэффициента усиления, в том числе и на высоких частотах: у этих схем К намного ниже, чем у ОУ, и угроза паразитного самовозбуждения менее существенна. У схем на базе ОУ, напротив, с помощью коррекции, как правило, снижают коэффициент усиления в диапазоне частот, где имеется риск самовозбуждения.

Рис. 7.2.

Схемная реализация коррекции ОУ обычно такова: ею охватывают не весь усилитель, а один или несколько каскадов – к специальным выводам микросхемы подключают один или несколько внешних элементов (конденсаторов, резисторов). В данной работе рассматриваются однополюсная и двухполюсная коррекции, коррекция с помощью параллельного канала и коррекция с фазовым запаздыванием. Однополюсная коррекция заключается во включении параллельно одному из усилительных каскадов ОУ емкости С _K (рис. 7.2). Эта емкость на высоких частотах шунтирует усилитель и снижает усиление ОУ. Недостатком коррекции является существенное уменьшение полосы усиления ОУ и, как следствие, снижение скорости нарастания импульсных сигналов.

а	б
Рис. 7.3

Схема коррекции с помощью параллельного канала (рис. 7.4), в отличие от двухполюсной охватывает не выходные, а входные каскады ОУ. Низкочастотные гармоники поступают на инвертирующий вход схемы и подвергаются максимальному усилению, а высокочастотные проходят через конденсатор С, подключенный к специальному выводу. Для этих гармоник коэффициент усиления меньше и тем самым предотвращается паразитное самовозбуждение ОУ.

Схема коррекции с фазовым запаздыванием (рис. 7.5) подключается между двумя входами операционного усилителя и содержит резистор и конденсатор. Сопротивление корректирующей цепи на высоких частотах уменьшается и шунтирует вход усилителя, что эквивалентно уменьшению К для высокочастотных гармоник спектра сигнала.

Все четыре рассматриваемых в работе схемы коррекции разрушают условие баланса амплитуд, однако существуют и схемы, нарушающие баланс фаз. Например, в усилитель вводят дополнительную дифференцирующую цепь; при этом имеет место компенсация сдвига фаз в усилителе Δφ _К сдвигом фаз в цепи коррекции, так как Δφ _К и Δφ_кор имеют разные знаки (рис. 7.6, где кривая 1 – график Δφ _К; 2 – график Δφ_кор; 3 – их суммы).

Введение коррекции наряду с решением главной задачи – предотвращением паразитного самовозбуждения схемы на основе ОУ – влечет за собой ухудшение ее частотных свойств. В разной степени, но непременно уменьшаются полоса пропускания усилителя и скорость нарастания выходного напряжения. Многообразие цепей коррекции позволяет разработчикам решать проблему устойчивости схем с учетом требований к другим важным параметрам ОУ.

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установ-ки входят лабораторный макет, генератор (формирующий гармонические сигналы, а также последовательности прямоугольных импульсов типа меанд-ра), два вольтметра переменного напряжения и осциллограф. Схема макета приведена на рис. 7.7. В разделе «Порядок выполнения работы» использованы номера резисторов и конденсаторов, указанные на ней.

Порядок выполнения работы:

1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет.

2. Проверить усилитель на склонность к возбуждению.

а) соединить оба входа ОУ с землей: инвертирующий – через сопротивление R 1, неинвертирующий – через R 5 на лицевой панели макета. Охватить усилитель обратной связью – сопротивлением R 6. К выходу ОУ подключить осциллограф;

б) изменяя значение R 6, определить зоны устойчивой и неустойчивой работы усилителя по изображению на экране осциллографа (при устойчивой работе на экране наблюдается прямая горизонтальная линия, возможно с наложением на нее небольших шумов внешнего происхождения; при неустойчивой – широкая полоса). Зафиксировать значения R 6, соответствующие обеим зонам.

3. Измерить АЧХ усилителя:

а) гармонический сигнал от генератора подать через R 1 на инвертирующий вход, неинвертирующий оставить заземленным через R 5. К выходу ОУ параллельно осциллографу подключить вольтметр;

б) установить уровень гармонического сигнала на входе усилителя 10 мВ

и, поддерживая ее постоянной, изменять частоту в пределах от 20 кГц до 2 МГц, измеряя при этом значение выходного сигнала с помощью вольтметра. Опыт проделать для значений R 6, соответствующих устойчивой работе усилителя.

4. Исследовать форму импульсов на выходе усилителя при разных значениях сопротивления в обратной связи:

а) переключить генератор в режим формирования меандра амплитудой 10 мВ и частотой следования 20 кГц, сохранив на лицевой панели макета все перемычки, установленные при выполнении п. 3;

б) зарисовать (сфотографировать) осциллограммы импульсов при тех же значениях потенциометра R 6, что и в п. 2 и 3, измерить длительности их фронтов (τ_фр). Рассчитать скорость нарастания сигнала по формуле u ≈ 2 Е /τ_фр.

5. Подключить к ранее собранной схеме однополюсную коррекцию ОУ (функцию корректирующей емкости выполняет в макете конденсатор С 5). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения однополюсной коррекции.

6. Заменить однополюсную коррекцию двухполюсной (функцию цепи двухполюсной коррекции выполняют в макете конденсаторы С 6, С 7 и R 7). Повторить п. п. 2–4 для случая подключения двухполюсной коррекции.

7. Заменить двухполюсную коррекцию схемой коррекции с помощью параллельного канала (функцию цепи коррекции выполняют в макете конденсаторы С 2 и С 3). Повторить п. п. 2–4.

8. Исследовать схему коррекции с фазовым запаздыванием. При выполнении п. 8 подключить генератор к неинвертирующему входу ОУ через резистор R 3, а инвертирующий вход ОУ заземлить через R 2. Сохранить подключение R 6 между инвертирующим входом и выходом ОУ. Функцию цепи коррекции выполняют последовательно соединенные С 1 и R 4, ее следует подсоединить между входами ОУ. Повторить п. п. 2–4 для случая подключения коррекции с фазовым опережением.

Содержание отчета:

1. Схемы соединения приборов при измерениях.

2. Значения сопротивления R 6, соответствующие зонам устойчивой и неустойчивой работы ОУ (согласно п. п. 2, 5–8)

3. Графики АЧХ (согласно п. п. 3, 5–8)

4. Зарисовки (или фотографии) импульсов, значения длительностей их фронтов и скоростей нарастания (согласно п. п. 4, 5–8)

5. Выводы.