4. Контрольные вопросы

1. Можно ли использовать тиристор как ключ для переменного напряжения?

2. Можно ли переключать с помощью тиристора напряжение, большее напряжения включения U_вкл (рис. 9)?

3. Какое минимальное напряжение можно переключать с помощью тиристора?

4. Зависит ли устойчивость состояний тиристора от величины индуктивности L в схеме, показанной на рисунке 10?

5. Можно ли составить один двухоперационный тиристор из двух однооперационных?

6. Может ли тиристор в схеме на рисунке 10 быть закрытым, если E > U_вкл или i_a < I_уд?

7. Предложить схему генератора на тиристоре, использующую участок вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

8. Предложить схему тиристорной защиты электронного устройства.

Лабораторная работа № 11 операционный усилитель

Цель работы: Изучение принципа действия, характеристик и основных схем включения операционного усилителя.

1. Теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного напряжения с высоким (10⁵ –10⁶) коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлением. Характерной особенностью схем на основе ОУ является их независимость от свойств самого ОУ – параметры схемы определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.

1.1. Структура и характеристики операционного усилителя

Рис. 1. Операционный усилитель

Операционный усилитель состоит из входного дифференциального каскада, усилителя постоянного напряжения и выходного усилителя мощности, включенных последовательно. Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 1. Усилитель имеет инвертирующий (–) и неинвертирующий (+) входы, выход, а также зажимы для подачи двуполярного напряжения питания E₊ и E_–. На схемах источники питания ОУ обычно не показывают.

Обозначив напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ как u₊ и u_–, запишем основное уравнение операционного усилителя:

.

(1)

Из этой формулы видно, что ОУ усиливает разницу входных напряжений, то есть дифференциальное напряжение u_д = u₊ – u_–. Величина A_д носит название дифференциального коэффициента усиления ОУ.

Однако напряжение на выходе реального ОУ не равно нулю даже при u_д = 0. Для описания этого явления в выражение (1) вводят напряжение смещения U₀ следующим образом:

.

(2)

Напряжение смещения U₀ имеет простой физический смысл. Оно равно дифференциальному напряжению u_д, которое следует подать на входы ОУ, чтобы выходное напряжение u₂ стало равным нулю. Величина U₀ обычно лежит в пределах 0,010,1 В. У большинства ОУ имеются специальные клеммы для подключения внешнего потенциометра, с помощью которого можно значительно снизить напряжение смещения U₀ до 10^510^6 В. Такая процедура называется балансировкой.

Как показывает опыт, величина напряжения смещения U₀ зависит от напряжения источников питания ОУ, которые, вообще говоря, могут быть разными. Влияние напряжений питания E₊ и E_– на напряжение смещения U₀ характеризуется коэффициентами подавления изменения напряжения питания S₊ и S_–, которые определяются следующим образом:

.

(3)

Очевидно, чем выше коэффициенты S₊ и S_–, тем лучше ОУ.

Рис. 2. Передаточная характеристика ОУ

Реальные ОУ описываются выражением (2) только в определенном диапазоне входных и выходных напряжений. Типичная передаточная характеристика реального ОУ, то есть зависимость его выходного напряжения от дифференциального входного напряжения, показана на рисунке 2. Передаточная характеристика с большой точностью линейна в диапазоне от U_2min до U_2max, однако дальнейшее увеличение дифференциального входного напряжения уже не приводит к пропорциональному увеличению выходного. Это объясняется тем, что выходное напряжение усилителя не может быть больше напряжений источников его питания.

Дифференциальный коэффициент усиления реального ОУ велик только в области низких частот, с повышением частоты его значение уменьшается. По своим частотным свойствам ОУ напоминает фильтр нижних частот, поэтому в первом приближении его частотная характеристика может быть описана характеристикой RC-фильтра:

,

(4)

где f_с – частота среза. Заметим, что частотные характеристики ОУ удобнее рисовать и анализировать в логарифмическом масштабе, как это показано на рисунке 3. В том, что модуль частотной характеристики (4) в логарифмическом масштабе действительно имеет такой вид, легко убедиться, рассмотрев асимптотику логарифма АЧХ:

.

При f  0 логарифмическая АЧХ стремится к значению lg(A_д(0)), при f   – к выражению lg(A_д(0)) + lg(f_c/1 Гц) – lg(f/1 Гц). Частота f₁, на которой АЧХ становится равной единице (то есть |A_д(f₁)| = 1), называется частотой единичного усиления ОУ.

Рис. 3. Логарифмическая частотная характеристика ОУ

При анализе схем на ОУ в гармоническом режиме можно учесть частотную зависимость дифференциального коэффициента усиления A_д(f) вида (4), если воспользоваться методом комплексных амплитуд. В этом случае выражение (1) записывают для комплексов входных и выходных напряжений в виде

.

(5)

Из соотношения (1) видно, что если u₊ = u_–, то есть входной сигнал подается на оба входа одновременно, выходное напряжение u₂ не должно изменяться. Напряжение, приложенное к обоим входам одновременно, называется синфазным. Однако у реальных ОУ приложенное синфазное входное напряжение u_c вызывает некоторое изменение выходного напряжения, что вызвано неидеальностью внутренней структуры ОУ. Для количественного описания этого явления используют коэффициент усиления синфазного сигнала А_с, который определяется как

(6)

при u₊ = u_– = u_c. Отношение дифференциального коэффициента усиления A_д к коэффициенту усиления синфазного сигнала A_c называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) и выражается обычно в децибелах:

.

(7)

Чем выше КОСС, тем лучше ОУ. У современных ОУ КОСС составляет 60120 дБ.

Для учета коэффициента усиления синфазного сигнала в выражение (2) можно добавить еще один член, пропорциональный синфазному входному напряжению, которое при различных значениях u₊ и u_– может быть найдено как среднее u_c = (u₊ + u_–)/2. Тогда уравнение операционного усилителя примет вид

.

(8)

При расчете схем на базе ОУ можно пользоваться выражениями (1), (2) или (8), а также учитывать или не учитывать входные токи ОУ i₊ и i_– (рис. 1) и частотную зависимость коэффициента усиления (4). Однако самый простой метод расчета линейных схем с использованием ОУ получается, если в выражении (1) устремить A_д к бесконечности. При этом дифференциальное входное напряжение устремится к нулю, поскольку выходное напряжение должно оставаться постоянным. В результате получим принцип виртуального замыкания, который заключается в равенстве напряжений на входах ОУ:

.

(9)

При этом предполагается равенство нулю входных токов ОУ, то есть i₊ = i_– = 0.