Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Операционный усилитель: Лабораторная работа по курсу "Физические основы микроэлектроники

Голосов: 1

Описание лабораторной работы по курсу "Физические основы микроэлектроники" предназначено для студентов старших курсов физического факультета ННГУ, обучающихся по специальностям 010803 - "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы" и 202000 - "Нанотехнология в электронике".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                    ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
       «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»




                            Физический факультет


           Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники




                    ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ




 (Лабораторная работа по курсу «Физические основы микроэлектроники»)




                           Нижний Новгород, 2005


                                                                                  2
УДК 621.382


Операционный усилитель: Лабораторная работа по курсу «Микроэлектроника» / Сост.
Н.В. Федосеева, С.М. Планкина. – Н. Новгород, ННГУ, 2004. 14 с.




Настоящее описание предназначено для студентов старших курсов физического
факультета ННГУ, обучающихся по специальностям 010803 – «Микроэлектроника и
полупроводниковые приборы» и 202000 – «Нанотехнология в электронике».




Рис. 9.




Составители:       канд. физ.-мат. наук, доцент Н. В. Федосеева
                   канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель С. М. Планкина




Рецензент:         канд. физ.-мат. наук, доцент В. Н.Шабанов




Нижегородский государственный университет
имени Н. И. Лобачевского, 2005


                                                                                              3




                                       ВВЕДЕНИЕ


    Аналоговые интегральные микросхемы (АИС) предназначены для преобразования и
обработки электрических сигналов, изменяющихся по непрерывному закону. Это либо
напряжение U(t) или I(t).Успехи в области технологии и схемотехники способствовали
тому, что АИС        являются на данный момент основными компонентами аналоговых
устройств и систем. Интегральная технология позволяет получать групповым методом на
одной подложке совокупность элементов с взаимно согласованными характеристиками.
Особенностью схемотехники АИС является реализация принципа схемотехнической
избыточности. Он позволяет выбирать такие схемотехнические решения, которые в
конечном итоге благодаря интегральной технологии улучшают качество изделий,
минимизируют площадь кристалла, повышают технологичность. Все это привело к тому,
что основной аналоговой микросхемой универсального назначения стал операционный
усилитель.
     Операционным         усилителем    (ОУ)      называют     усилитель        напряжения,
предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при
работе в цепях с отрицательной обратной связью (ООС), в состав которых могут входить
сопротивления (R), емкости (С), индуктивности (L), диоды, транзисторы и другие
элементы.
     Основные        требования к ОУ сводятся к тому, чтобы он как можно ближе
соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с
бесконечно большим коэффициентом               усиления. А это значит, что входное
сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности (R            вх    = ∞ ) и, следовательно,
входной ток I   вх   =0. Выходное сопротивление должно быть равно нулю (R        вых   =0),   а
нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых
сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высоких частот. Т.к.
коэффициент усиления велик, то при конечном значении U       вых    напряжение на его входе
должно быть близким к нулю.


                                                                                              4


                  СХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ


Условное обозначение ОУ приведено на рис.1.


           Епит     - Епит

Uвх 2

   Uдиф
Uвх 1
                                           Uвых




Рис.1. Условное обозначение операционного усилителя.




    Входные сигналы U        вх1   и   U   вх2   можно подавать на любой из двух входов -
инвертирующий (обозначен кружком) и неинвертирующий. Входная цепь ОУ выполнена
по дифференциальной схеме. Имеются выводы для подачи питания Еп и подключения
дополнительных      схем.    Разностное          напряжение      (Uвх1–Uвх2   )=Uдиф.   является
дифференциальным входным сигналом, оно приложено между инвертирующим и
неинвертирующим входами ОУ.
        Выходное напряжение определяется в виде


                     Uвых.   = (Uвх1 -U вх2)*K,


где К → ∞ коэффициент усиления по напряжению ОУ.
    Полусумма напряжений 1 /2(Uвх1               +U   вх2   ) называется синфазным сигналом. Для
этого сигнала выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных
усилителях это не выполняется.
Эквивалентные схемы идеального и реального ОУ приведены на рис 2.


                                                                                               5



           iвх2=0
  Uвх2
                                     К→∞


                                                  Uвых
 Uвх1
           iвх1=0



                                                  а)



                            iвх2=0
         Uвх2
                                           rвых
                       есм
                     rвх

        Uвх1                                                 Uвых
                           iвх1=0




                                                  б)


Рис.2 Эквивалентные схемы ОУ (а - идеального, б - реального)




     Схема      замещения     идеального    ОУ         содержит   источник   напряжения    Uвых,
управляемый дифференциальным входным сигналом Uвых = (Uвх1 -U                 вх2   )*K. Входные
токи в этой схеме отсутствуют, т.к. входное сопротивление равно бесконечности. Для
реального усилителя (рис.2 б) схема замещения содержит источники входных токов iвх1,
iвх2 , входное сопротивление rвх., источник напряжения смещения нулевого уровня есм,
выходное сопротивление rвых. Эти схемы замещении можно использовать для расчета
схем с ОУ в статическом режиме. При анализе динамических свойств для обеспечения
устойчивости в широкой полосе частот используется частотная коррекция усиления,


                                                                                                                 6
   которая обеспечивает снижение усиления с ростом частоты. Эта частотная коррекция
   представляет собой интегрирующее звено, у которого коэффициент усиления обратно
   пропорционален частоте.




                                ic         Ck


Uвхдиф                    2i1                                                         Uвых
             S1
                                                     U1
               K1                         K2                          K3


                                                               а)

                                                                                +Еп



                    2i1                                   i2
                                                                           Т7
    +
             Т1 Т2                              Ск                              Uвых
   Uвх                                                    U1
                                     ic
                                                                                         RН
   _                                                                       Т8
                      2i1
                                               Т5
                                                          Т6
             Т3 Т4
                                                                                -Еп

            Дифференциальный         Интегратор тока                Повторитель
                 каскад                                             напряжения




                                                               б)


   Рис.3.   Упрощенная           структурная         схема              (а)     и      принципиальная   схема   (б)
   дифференциального ОУ.


                                                                                         7
     Схема замещения ОУ с учетом        частотной коррекции приведена на рис. 3а. Она
содержит входной дифференциальный каскад с коэффициентом передачи К1        ,   который
преобразует входной дифференциальный сигнал в выходной ток,           поступающий на
интегрирующее звено с коэффициентом передачи К2 . Выходной каскад является
усилителем мощности и представляет собой повторитель напряжения. Упрощенная
принципиальная схема такого усилителя приведена на рис.3б.
     Дифференциальный каскад выполнен на транзисторах Т1 - Т4 ,транзисторы Т1,Т2
образуют дифференциальный усилитель, а                транзисторы Т3, Т4 являются его
динамической нагрузкой. Выходным сигналом первого каскада является ток, который
поступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах Т5 и Т6. Этот каскад
имеет большой коэффициент передачи К2 и он охвачен емкостной обратной связью по
схеме интегратора. Выходным сигналом          интегратора тока является напряжение U1,
равное напряжению на конденсаторе Ск. На транзисторах Т7, Т8 выполнен повторитель
напряжения по схеме с эмиттерной нагрузкой.
     Рассмотрим взаимосвязь основных характеристик ОУ. Входной дифференциальный
каскад характеризуется крутизной транзисторов Т1, Т2, для которых ток коллектора и
напряжение на базе определяются выражением
                             i1 =I0 ехр(Uвх. /φт )                               (1)
Тогда крутизна дифференциального каскада будет иметь значение
                            S1 = K1 = dI1 /dUвх. =i1 / φт ,                        (2)
где I1 – коллекторный ток дифференциального каскада (ДК), φт- -тепловой потенциал.
Для определения коэффициента передачи интегратора тока, воспользуемся зависимостью
между напряжением и током в емкости Ск
                          ic = 2i1 = Ck *dU1 /dt                                   (3)
Для переменного гармонического сигнала эта зависимость имеет вид
2i1 =ώ Ck U1 ,откуда коэффициент передачи интегратора
                       К2 =U1/ic =U1 /2i1 =1/ώ Ck                                  (4)
Учитывая, что коэффициент передачи повторителя напряжения К3 =1, найдем полный
коэффициент передачи ОУ
                       К=К1* К2* К3 =S1 /ώCk                                       (5)
     Таким образом, крутизна ДК и емкость коррекции Ск влияют на частотную
зависимость коэффициента усиления ОУ. Если ώ → 0 .,то коэффициент усиления К → ∞ ,
т.е. формула (5) отражает свойства идеального ОУ на постоянном токе. В реальном
усилителе коэффициент усиления не превышает К(0) для постоянного напряжения.
Зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведена на


                                                                                               8
рис.4. Она построена в двойном логарифмическом масштабе, где коэффициент усиления
К определен в децибелах. ( К=20 lg S1 / ώ Ck [дБ].)

         К, дБ

К(0)
                                                         Рис.4. Частотная зависимость
                                                          коэффициента усиления ОУ.


     0
                                        ώпр.    Lg ώ




         Uвых

Um                                                         Рис.5. Зависимость максимальной
                                                           амплитуды выходного сигнала от
                                                           частоты.

     0
                 ώmax                       Lg ώ




Предельная частота ОУ определяется условием, когда коэффициент усиления равен 1.
К(ώпред. ) =0 дБ, ώпред =S1 /Cк.
Динамические свойства ОУ описывают также при помощи скорости нарастания
выходного напряжения VU вых . Учитывая, что Uвых              = U1 имеем


                        VU вых = dUвых. /dt =2i1 /Ck =2 φт S1/Ck =2 φт ώпред.           (6 )


Следовательно, чем больше предельная частота, тем выше скорость нарастания
выходного напряжения. Максимальная частота усиления большого сигнала ώмах (рис.5)
определяет границу получения выходного сигнала с заданной амплитудой                    Uмах без
искажения. Максимальная частота             ώмах связана с максимальной скоростью нарастания
гармонического сигнала на выходе ОУ. Если принять, что Uвых. =Uмах Sin ώt, то скорость
изменения равна dUвых /dt =ώUмах Сos ώt и при Сos ώt=1 она будет иметь максимальное
значение
            ( dUвых /dt)мах = ώмах * Uмах. Откуда ώмах = (VU вых )мах / Uмах.            (7)


                                                                                               9


                 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГОУСИЛИТЕЛЯ


       1. Коэффициент усиления по напряжению ОУ определяется отношением выходного
сигнала к дифференциальному входному сигналу при работе усилителя на линейном
участке статической характеристики (рис.6).


                        К=Uвых. /Uвх.диф


                         Uвых
       Uв                             II


                             III
                    0       есм
                                              Uвх. диф.

  Uн         I



  Рис.6.Передаточная характеристика ОУ.


    На рисунке видно три участка, которые соответствуют трем режимам работы ОУ.
Участки 1 и 2 соответствуют режимам ограничения и Uвых не зависит от Uвх.диф и равно
нижнему      Uн       и верхнему     Uв     уровням ограничения. Ограничение снизу является
следствием насыщения выходного транзистора                   Т6, сверху - следствием насыщения
выходного транзистора источника тока i2 (рис.3). Основой источника тока обычно
является биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой (ОБ). Участок 3
соответствует режиму усиления, т.к .коэффициент усиления ОУ велик, характеристика
почти вертикальна.
    2. Напряжение смещения (есм ) - это дифференциальное входное напряжение Uвх.диф,
при котором Uвых. =0. Максимальное по модулю |есм | ОУ, выполненного на биполярных
транзисторах составляет 3-10 мВ. На рисунке 2б напряжение смещения показано в виде
дополнительного источника сигнала, суммируемого с Uвх2. Поскольку есм имеет любую
полярность, то безразлично, к какому входу добавлять дополнительный источник.
       3.   Средний     входной    ток     (iвх.ср)   -   среднеарифметическое   значение   токов
инвертирующего и неинвертирующего входов                    ОУ, измеренное при таком входном


                                                                                                 10
напряжении Uвх.диф, при котором Uвых =0. На рисунке 2б входные токи отражены в виде
источников тока iвх1 и iвх.2. Средний входной ток ОУ с входными каскадами на БТ
составляет 0,01-1,0 мкА.
      4. Входное сопротивление                   (rвх), указанное на рис.2б, обычно относится к
дифференциальному сигналу. Оно определяется как удвоенное входное сопротивление
каждой половинки ДУ.


                         rвх.диф.=2[( β + 1) rэ+rб],                                       (8)
где rэ , rб – дифференциальные сопротивления эмиттера и базы. Для увеличения rвх
целесообразно использовать ДУ в режиме малых токов – в микрорежиме, а также
применять транзисторы с высокими значениями коэффициента усиления β (пара
Дарлингтона). rвх составляет 103 -106 Ом.
     5.    Для     синфазной          составляющей            входное   сопротивление   определяется
сопротивлением источника тока (ri )
                              rвх.сф. =( β + 1) ri
Поскольку ri > rэ , то      rвх.сф. > rвх.диф.


      6.   Выходное        сопротивление          ОУ     определяется    выходным   сопротивлением
эмиттерного повторителя rвых = rэ. Обычно оно составляет десятки Ом.




                  ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГОУСИЛИТЕЛЯ


       Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.7.



             R1                    R2
           Uвх                   ОУ

                                                       Uвых




Рис. 7. Схема инвертирующего усилителя.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика