22373

Неинвертирующее и инвертирующее включение ОУ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

На практике UСМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт; максимальное выходное напряжение UВЫХ.МАКС Различают максимальное положительное напряжение UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение UВЫХ. Напряжения UВЫХ.

Русский

2013-08-04

368 KB

82 чел.

Лекция 9

Содержание лекции

Операционные усилители (ОУ). Определение. Обозначение. Параметры. Характеристики. Неинвертирующее и инвертирующее включение ОУ. Повторители на ОУ. Балансировка нуля. Компенсация входных токов и напряжений.

9.ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ)

9.1. Определение ОУ

Под операционным усилителем понимают усилитель постоянного тока, имеющий:

  •  высокий коэффициент усиления по напряжению
  •  высокое входное сопротивление;
  •  низкое выходное сопротивление.

ОУ имеет дифференциальный вход и несимметричный выход (рис.9.1). Входные и выходные сигналы отсчитываются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают.  ОУ  предназначены  для  работы с глубокой  отрицательной  обратной  связью  и        вначале

Рис.9.1.Сигналы в ОУ

применялись в аналоговых ЭВМ, где в зависимости от цепей обратной связи они выполняли различные математические операции (сложение, вычитание, умножение, интегрирование и т.д.), откуда и произошел термин "операционный усилитель".

9.2. Блок-схема ОУ (рис. 9.2)

Входной каскад - это обычно дифференциальный усилитель, чем обеспечивается подавление синфазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. Если хотят получить большое Rвх,  применяют полевые транзисторы, составные транзисторы и др.

Промежуточный каскад - дополнительно усиливает напряжение.

Выходной каскад - здесь усиление по мощности. Обычно это эмиттерный повторитель (схема с общим коллектором).

Как и в дифференциальном усилителе здесь усиливается только разность входных напряжений, а синфазные сигналы не усиливаются.

Недостатком трехкаскадных операционных усилителей является склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

ОУ более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряжения УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в выходном - каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

  1.  Обозначения ОУ

Рис.9.3. Стандартное обозначение ОУ(вверху) и допускаемые упрощенные обозначения ОУ

9.4. Параметры ОУ   

Основные параметры операционных усилителей:

•коэффициент усиления   по   напряжению  КU.

Определяется наклоном линейного участка передаточной характеристики и равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению. На практике Ки лежит в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов;

• напряжение смещения UCM -напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю. На практике UСМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

максимальное  выходное  напряжение   UВЫХ.МАКС -  Различают максимальное положительное напряжение  +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение –UВЫХ.МАКС, которые в общем случае не равны. Напряжения + UВЫХ.МАКС и – UВЫХ.МАКС нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС.СФ - отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

входной ток IВХ - для дифференциального ОУ определяется как среднее арифметическое значение токов инвертирующего входа IВХ.И и неинвертирующего входа IВХ.Н;

разность входных токов ∆IВХ = IВН.Н – IВХ.И;

предельный выходной ток IВЫХ.МАКС - максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызывающее необратимых изменений в ОУ;

предельное входное напряжение UВХ.МАКС - максимальное значение входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в ОУ;

предельное синфазное входное напряжение UВХ.СФ.МАКС – максимальное значение синфазного входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в ОУ;

частота единичного усиления f1 - частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ падает до единицы. Частота единичного усиления f1 характеризует быстродействие ОУ в режиме малого сигнала;

скорость нарастания выходного напряжения VUвых.макс – отношение изменения выходного напряжения UВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усилителя в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

В справочной литературе приводятся много других параметров, например, потребляемый ток, напряжение питания и т.д.

При анализе схем реальные ОУ заменяют идеальными ОУ, у которых:

коэффициент усиления по напряжению KU = ∞;

входное сопротивление rВХ = ∞;

выходное сопротивление rВЫХ = 0;

напряжение смещения UСМ = 0;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС.СФ = ∞;

входные токи IВХ = 0;

времена задержки, нарастания и спада равны нулю.

9.6. Неинвертирующее включение ОУ (рис. 9.4)

Рис.9.4. Неинвертирующее включение ОУ

Определение КU .

Если рассматривать схему с точки зрения ОС, то

где А - коэффициент усиления ОУ без ОС,         - коэффициент ОС.

Последовательная ООС по напряжению – тогда   

и    

KU   зависит от  R1  и    ROC .

RВХ  OC = RВХ(1+К) -  очень большое.                 - доли Ом.

Другой способ определения КU (рис. 9.5)

Рис.9.5. Схема для определения KU  

Для этого вводят понятие виртуального замыкания. Здесь  IВХ=0, т.к. RВХ  . Тогда UД=0 и потенциал инвертирующего входа полагают равным потенциалу неинвертирующего входа (виртуальное замыкание).

Тогда на инвертирующем входе

                                

9.6. Повторитель напряжения

    Положив в этой схеме (рис.9.5) ROC=0 и R1=  , получим повторитель напряжения (рис. 9.6).

Рисунок 9.6 – Повторитель напряжения

    

9.7. Инвертирующее включение ОУ (рис.9.7).

Рис. 9.7. Схема инвертирующего включения ОУ

Опять используем равенство UД= 0 и тогда точка С имеет нулевой потенциал как и точка Д.  Значит

т.е.

RВХ=R1, RВЫХ ОС< RВЫХ БЕЗ ОС.

Здесь параллельная ООС по напряжению.

9.8. Инвертирующий повторитель.

Основные расчетные соотношения:

ROC=R1=R,

Рис. 9.8. Инвертирующий повторитель

  

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим синфазным напряжением (Uвх.сф = Uвх).

9.9. Инвертирующее включение ОУ для  переменного тока

Рис.9.9. Схема инвертирующего включения ОУ для     переменного тока.

Емкость С выбирают из условия  .

Для переменного тока .

Для постоянного тока .

9.10. Компенсация входных токов и напряжений

Смещения нуля

а) Мы провели анализ схем при идеальных характеристиках ДУ. На практике эти схемы должны содержать дополнительные элементы. На рис.9.10   показана схема инвертирующего ОУ с ОС с входными токами.

Рис.9.10. Схема инвертирующего усилителя с входными токами IВХ.

 

Падение напряжения от IВХ  найдем в режиме покоя (UВХ=0).

IВХ инвертирующего входа может протекать по  R1   и  R2, что создает на этом входе напряжение    ,   т.к. R1 включено параллельно  ROC. Поскольку значение А велико, то          

UВЫХUУ   может быть достаточно заметным.

    Задача:  скомпенсировать  UУ   так, чтобы    стало UВЫХ=0.        

IВХ неинвертирующего входа компенсируется на R. Это практическая схема. Величина            .

 

Рис.9.11 – Амплитудная характеристика  ОУ(слева) и амплитудная характеристика  при неинвертирующем включении  (идеальная)   

б) Рассмотрим передаточную характеристику ОУ (рис.9.11), которая представляет собой зависимость выходного напряжения UВЫХ от входного напряжения UВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим проводом, а на какой вход подается входное напряжение, различают передаточную характеристику при инвертирующем включении ОУ и передаточную характеристику при неинвертирующем включении ОУ.

При малых входных напряжениях UBX передаточные характеристики линейны, затем рост выходного напряжения UВЫХ замедляется, а потом и совсем прекращается. Максимальное положительное напряжение +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение –UВЫХ.МАКС  несколько меньше соответствующих напряжений питания (E1, и E2). Напряжения +UВЫХ.МАКС и –UВЫХ.МАКС зависят от сопротивления нагрузки ОУ: чем меньше сопротивление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. При анализе схем на ОУ будем считать, что UВЫХ.МАКС =0.8ЕП.

Передаточные характеристики проходят через начало координат, если ОУ сбалансирован (см. рис. 9.11). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе.

Передаточная характеристика (рис.9.11) не проходит через нуль. Это и есть напряжение смещения UСМ, т.е.UВХ=0, а UСМ =UВЫХ0.

Для создания UСМ  вводят специальные схемы (рис. 9.12 а,б).

Рис.9.12.Схемы корректирующих цепей

Введение корректирующих цепей не изменяет основных соотношений, выведенных ранее.

Пример. Для К140УД8 балансировка нуля осуществляется так, как показано на рис. 9.13.

Рис.9.13-Схема балансировки нуля для ИМС К140УД8.

Контрольные вопросы и задания

1.Какой операционный усилитель называется идеальным? Почему в схеме операционного усилителя предусматривают два источника питания: с положительным (+Eп) и отрицательным (—Eп) постоянными  напряжениями относительно нулевой общей точки схемы, которая заземляется.

2.Почему для обеспечения минимальных искажений формы выходного сигнала в схему операционного усилителя вводится отрицательная обратная связь?

3.Почему сопротивление резистора R1 в схеме инвертирующего операционного усилителя обычно выбирают больше 1 кОм?

4.Определить выходное напряжение операционного усилителя  (рис. 9.14)   при   поступлении   на   его   входы синфазных сигналов с амплитудами UBХ1 = 0,l В, Uвх2=0,2 В. Сопротивления резисторов R1 = R2=R3 = 5 кОм, RОС=50 кОм.

5.Определить входные сопротивления   операционного усилителя (рис.9.19): а) по входу 1; б) по входу 2, использовав необходимые данные из предыдущей задачи. Что следует изменить в схеме для обеспечения равенства входных сопротивлений по входу 1 и по   входу 2?

Рис.9.14.Схема усилителя


UВХ

Промежуточный каскад

(усилитель напряжения)

Входной каскад

(дифференциальный

усилитель)

UВЫХ

Выходной каскад (усилитель мощности – эмиттерный повторитель)

DA

Инвертирующий вход

Неинвертирующий вход

Напряжение

питания

+

-

Выход

C

FC

Частотная

коррекция

Балансировка

нуля

NC

NC

Выход

Инвертирующий

вход

Неинвертирующий вход

+UП

-UП

Выводы для FC, NC

(при необходимости)

Входы

Выход

DA

DA

DA

Uвых

А

UД

UВХ

Цепь ОС

R1

RОС

RОС

R1

R1

UВХ

UД

А

DA

Uвых

RОС

UВХ

UВХ

А

DA

Uвых

UД

А

DA

Uвых

I2

I1

I2

UВХ

R

R

UВХ

UД

А

DA

Uвых

RОС

R1

UВХ

UД

А

DA

Uвых

IВХ

RОс

R1

IВХ

А

DA

Uвых

R

С

Рис.9.2. Блок – схема операционного усилителя


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73119. Возникновение зарядов статического электричества на производстве и меры защиты 29.5 KB
  Это совокупность явлений связанных с возникновением сохранением релаксацией свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых материалов или на изолированных проводниках.
73120. Устройство и требования безопасности при эксплуатации сосудов и аппаратов, работающих под избыточным давлением 29 KB
  Правила устанавливают специальные требования безопасности к конструкции и материалам сосудов; изготовлению реконструкции монтажу наладке и ремонту; арматуре КИП предохранительным устройствам; установке регистрации техническому освидетельствованию...
73121. Безопасность стационарных сосудов под давлением 29.5 KB
  Не разрешается установка регистрируемых в органе технадзора сосудов в жилых общественных бытовых зданиях в примыкающих к ним помещениях. При любой установке сосудов должна обеспечиваться возможность осмотра ремонта и очистки их с внутренней и наружной сторон.
73122. Безопасность нестационарных сосудов под давлением 30 KB
  Безопасность эксплуатации передвижных сосудов обеспечивается: Необходимой механической прочностью и надлежащим контролем за их состоянием Исключением возможности наполнения горючими газами сосудов предназначенных для негорючих газов и наполнение кислородом...
73123. Техническое освидетельствование сосудов и аппаратов, работающих под избыточным давлением 30 KB
  Объем методы и периодичность технического освидетельствования сосудов за исключением баллонов определяется изготовителем и указывается в инструкциях по монтажу и эксплуатации.
73124. Паспорт пожарной безопасности пожаро- и взрывоопасного объекта 26.5 KB
  Паспорт пожарной безопасности это документ характеризующий существующий уровень пожарной безопасности промышленного пред приятия участка цеха на котором производятся используются или хранятся взрывопожароопасные вещества и материалы и отражающий необходимые мероприятия...
73125. Организация пожарной охраны на предприятии 26.5 KB
  Каждый работник обязан: знать и выполнять на производстве требования пожарной безопасности а также соблюдать и поддерживать противопожарный режим; принимать меры предосторожности при проведении работ с ЛВЖ и ГЖ другими пожароопасными материалами и оборудованием...