Лабораторная работа №2
Источники тока на операционных усилителях
Цели работы:
1. Исследовать характеристики источников тока на операционных усилителях.
2. Закрепить знания об основных параметрах операционных усилителей.
1. Простейший источник тока на операционном усилителе
На рисунке 1 приведена схема простейшего источника тока на операционном усилителе. Принцип его работы следующий: операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, повторяет на своем инвертирующем входе напряжение, поданное на неинвертирующий вход. Поэтому ток через резистор R1:
(1)
Операционный усилитель имеет малый входной ток (у идеального ОУ он вообще должен быть равен нулю), поэтому ток через резистор R2:
(2)
Как видим, этот ток не зависит от величины R2, поэтому рассмотренную схему можно рассматривать как источник тока, работающий на нагрузку R2.
Рисунок 1. Источник тока на операционном усилителе
Имеется два основных ограничения при работе с этим источником тока:
1. Сумма падений напряжений на R1 и R2 не должна превышать максимального выходного напряжения ОУ:
Максимальное выходное напряжение ОУ тесно связано с напряжением питания ОУ. В зависимости от типа ОУ, его максимальное выходное напряжение отстоит от напряжения питания от примерно двух Вольт (классические ОУ с напряжением питания ±15 В) до нескольких десятков милливольт (низковольтные ОУ). С увеличением тока нагрузки максимальное выходное напряжение снижается.
2. Выходной ток источника тока не может превышать выходного тока ОУ:
Погрешности данной схемы определяются погрешностями операционного усилителя, токозадающего резистора R1 и источника опорного напряжения V2. Следует учитывать следующие основные погрешности операционного усилителя.
Погрешность от ЭДС смещения 
(и её температурного дрейфа 
). С учетом этой погрешности, к неинвертирующему входу усилителя прикладывается не напряжение 
, а 
. Тогда выходной ток источника составит:
(3)
Относительная погрешность составит:
(4)
Погрешность от входного тока (и его температурного дрейфа). Ток инвертирующего входа ОУ протекает через параллельное включение R1 и R2. Ток неинвертирующего входа протекает через источник напряжения (имеющий нулевое сопротивление). Поэтому, вместо к неинвертирующему входу ОУ прикладывается 
. Аналогично (4) получаем:
(5)
Если 
(к чему обычно стремятся), то можно считать:
(6)
Погрешность (6) можно компенсировать, включив последовательно с источником сопротивление равное 
. В этом случае, будет иметь значение только разность входных токов ОУ:
(7)
2. Источник тока на операционном усилителе с расширенным выходным диапазоном
Проблему увеличения выходного тока ОУ можно решить добавлением транзистора (рисунок 2). В этом случае выход ОУ должен развивать ток в b раз меньше выходного тока источника. К сожалению, в отличие от предыдущей схемы, данный источник может формировать ток только одной полярности.
Рисунок 2. Источник тока на операционном усилителе
Задание 2:
1. Ознакомиться с описанием схем источников тока на операционном усилителе.
2. В среде B2 Spice Workshop открыть схему CurrSource3.ckt, затем:
2.1. Преобразовать ее в схему согласно рисунку 1. Изменить номинальные значения элементов схемы в соответствии со своим вариантом (таблица 1)
Таблица 1
№ варианта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
V2, В | 4 | 3,3 | 5,6 | 5 | 5,6 | 5 | 3 | 2,4 | 3 | 2,7 | 4 | 3,3 |
R1, кОм | 2,21 | 5,1 | 2,49 | 2,49 | 5,6 | 2 | 1 | 0,82 | 1,5 | 0,91 | 2 | 1,1 |
R2, кОм | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
2.2. Выполнить исследование зависимости выходного тока от температуры окружающей среды.
2.3. Определить диапазон допустимых значений сопротивления нагрузки. Для этого диапазона исследовать зависимость выходного тока от сопротивления нагрузки.
2.4. Определить диапазон допустимых значений выходного тока (для R1=R2=10 Ом). Сравнить результаты с паспортными данными ОУ.
2.5. Выполнить исследование зависимости выходного тока от нестабильности источника питания.
3. В среде B2 Spice Workshop открыть схему CurrSource3.ckt (рисунок 2), для нее повторить исследования по пп. 2.2-2.5.
4. По результатам моделирования для схем на рисунках 1 и 2 определить:
4.1. Коэффициент температурной нестабильности источника тока.
4.2. Внутреннее сопротивление источника тока (для допустимых значений сопротивления нагрузки).
4.3. Коэффициент передачи источником тока нестабильности напряжения питания (для допустимых значений напряжения питания).
5. Оформить отчет, содержащий:
5.1. Результаты моделирования по пп.2 и 3, необходимые для расчетов по п.4.
5.2. Расчеты по п.4.
5.3. Качественные выводы о характеристиках исследованных схем.
6. Защитить выполненную работу.
Контрольные вопросы:
1. Выведите уравнение выходного тока для схемы на рисунке 1.
2. Перечислите основные статические погрешности операционных усилителей.
3. Выведите формулы для оценки погрешностей схемы на рисунке 1, вносимых операционным усилителем, опорным резистором, источником опорного напряжения.
4. Какие ограничения на диапазон выходных токов, диапазон сопротивлений нагрузки имеет схема на рисунке 1?
5. Выведите уравнение выходного тока для схемы на рисунке 2. Выведите уравнение выходного тока ОУ в этой схеме. Выведите уравнение напряжения на выходе ОУ в этой схеме.
6. Выведите формулы для оценки погрешностей схемы на рисунке 2, вносимых погрешностями операционного усилителя, опорного резистора, источника опорного напряжения.
7. Измените схему на рисунке 2 так, чтобы через нагрузку R2 можно было пропускать ток противоположной полярности.
8. Сравните характеристики всех четырех схем источников тока, рассмотренных в лабораторной работе.
Справочные данные
Параметры операционного усилителя LM358
Параметр | Условия измерения | Мин. | Тип. | Макс | Ед. изм. | |
VIO напряжение смещения ( | 25°С | 3 | 7 | мВ | ||
0¸70°С | 9 | |||||
aVIO средний ТК напряжения смещения ( | 0¸70°С | 7 | мкВ/°С | |||
IIO разность входных токов | 25°С | 2 | 50 | нА | ||
0¸70°С | 150 | |||||
aIIO средний ТК разности входных токов | 0¸70°С | 10 | пА/°С | |||
IIB средний входной ток | 25°С | –20 | –250 | нА | ||
0¸70°С | –500 | |||||
Диапазон синфазного вх. напряжения | 25°С | VSS | VCC–1 | В | ||
0¸70°С | VSS | VCC–2 | ||||
VOH максимальное выходное напряжение | RН³2 кОм | 25°С | VCC–1,5 | В | ||
RН=2 кОм VCC =32 В | 0¸70°С | 26 | ||||
VOL минимальное выходное напряжение | RН<10 кОм | 0¸70°С | 5 | 20 | мВ | |
AVD к-т усиления диф. сигнала | VCC =15 В VO =1¸11 В RН³2 кОм | 25°С | 25 | 100 | В/мВ | |
0¸70°С | 15 | |||||
CMRR к-т подавления синфазного синала | 25°С | 65 | 80 | дБ | ||
kSVR к-т подавления нестабильности питания | 25°С | 65 | 100 | дБ | ||
Скорость нарастания вых. сигнала | RН³2 кОм VCC =15 В | 25°С | 2,5 | В/мкс | ||
IO выходной ток | VCC =15 В VID =1 В VO =0 В | 25°С | –20 | –30 | мА | |
0¸70°С | –10 | |||||
VCC =15 В VID =–1 В VO =15 В | 25°С | 10 | 20 | |||
0¸70°С | 5 |
Примечания: VCC – положительное напряжение питания, VSS – отрицательное напряжение питания, RН – сопротивление нагрузки, VO – выходное напряжение, VID – входное дифференциальное напряжение.
Литература:
1. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники, т.1
2. Л. Фолкенберри Применения операционных усилителей и линейных ИС
3. Интегральная электроника в измерительных устройствах (2-е издание)
