40172

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия согласно которому Uвых.V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы.3 Схема трехкаскадного ОУ Входной дифференциальный усилительный каскад уменьшает величину дрейфа усилителя позволяет получить высокое усиление высокое входное сопротивление и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие обусловленные изменением температуры окружающей среды изменением напряжения...

Русский

2013-10-15

328 KB

35 чел.

2 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

                                                                    Операционным усилителем (ОУ)

называется усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом. Отличается высоким коэффициентом усиления (до 10 6), а также большим входным и малым выходным сопротивлением.

Сигнал не обязательно может быть дифференциальным, его можно подавать на один из входов ОУ, заземляя второй.  

В зависимости от полярности сигналов на выходе и входе, один из входов называют инвертирующим, а другой – неинвертирующим.

Инвертирующий вход обозначают кружком. На практике ОУ чаще всего охвачен цепью глубокой обратной связи, при помощи которой ОУ выполняет различные операции, откуда и происходит его название. Питание ОУ двух полярное (+Еn, -Еn). Uвых.=KUO(Uвх1-Uвх2), где KUO – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

2.1 Схема ОУ с активной отрицательной обратной связью

      Сопротивление R1 включает в себя сопротивление источника сигнала RГ  (рис.2.2). Идеализируем ОУ, положив Rвых.=0. Тогда можно считать Iвх.=0 и Uвых.=-K0Uвх.. Токи I1 и I2 оказываются одинаковыми, т.е. (1/R1)(EГ-Uвх.)=

(1/R2)(Uвх.-Uвых.). Подставляя Uвх.=-(1/K0)Uвых. , деля обе части на EГ и проводя преобразование, получаем коэффициент иления схемы

.

Если Kу ОУ достаточно велик, то вторым слагаемым в знаменателе можно пренебречь, тогда . Это выражение является фундаментальным для ОУ. Оно показывает, что коэффициент усиления схемы зависит только от параметров цепи ОС и не зависит от параметров самого ОУ. Коэффициент усиления схемы не зависит от температуры, от напряжений питания и от изменений коэффициента , какими бы причинами эти изменения не вызывались.

2.2 Основные параметры ОУ

  1.  Коэффициент усиления по напряжению KUO=Uвых./Uвх..
  2.  Входной ток Iвх. – ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току.
  3.  Разность входных токов Iвх=Iвх.1-Iвх.2.
  4.  Входное напряжение смещения – напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было равно нулю. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому Uвых.=0 при Uвх.=0.
  5.  Входное сопротивление Rвх., Rвх.диф. – сопротивление между входами усилителя, Rвх.син. – сопротивление между объединенными входными выводами и нулевой шиной. (сотни Ком)
  6.  Выходное сопротивление Rвых. – сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор.
  7.  Частота единичного усиления Fmax. – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.
  8.  Максимальная скорость изменения Uвых.(V) – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах, измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы.
  9.  Коэффициент подавления синфазного сигнала Kn сф – отношение коэффициента усиления ОУ к коэффициенту передачи синфазного сигнала, который определяется как отношение изменения Uвых. к вызвавшему его изменению синфазного Uвх..

2.3 Схема трехкаскадного ОУ

Рис.2.3 Схема трехкаскадного ОУ

Входной дифференциальный усилительный каскад уменьшает величину дрейфа усилителя, позволяет получить высокое усиление, высокое входное сопротивление и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.п.

Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.

Выходной сигнал выполнен по двухтактной схеме и обеспечивает усиление сигнала по мощности.

Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2, в котором для задания эмиттерного тока транзисторов использована схема “ токового зеркала” на VT3 и VT4. Резистор Rсм. питается от одного источника питания ОУ. Резисторы RЭ1 и RЭ1, обеспечивая введение в цепь каждого транзистора дифференциального каскада местной последовательной ООС по току нагрузки, увеличивают входное сопротивление усилителя.

Согласующий каскад усилителя также выполнен с использованием дифференциального каскада (транзисторы VT5 и VT6), на выходе которого подключен каскад по схеме с общим эмиттером (VT7).

Особенность каскада – использование в дифференциальном усилителе транзисторов, проводимость которых противоположна проводимость транзисторов входного каскада и применение несимметричного выхода. Поэтому нагрузочный резистор в коллекторной цепи транзистора, VT6 отсутствует. Режим по постоянному току в каскаде на транзисторе VT7 стабилизируется введением цепи последовательной ООС по току нагрузки. Резистор RКЗ является нагрузочным для каскада на транзисторе VT7.

Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности, работающем в классе АВ. Начальное смещение для задания этого класса задается диодами VД1 и VД2, которые также обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя. Эмиттерные резисторы RЭ4 и RЭ5 обеспечивают согласование параметров комплектарной пары транзисторов выходного каскада ОУ и ограничивают его максимальный выходной ток.

Вывод Uкор служит для подключения внешней коррекции, которая позволяет по заданию изменять частотную характеристику усилителя, что важно при введении в него различных цепей обратной связи. Цепи частотной коррекции бывают встроенными непосредственно в усилитель.

2.4 Передаточная характеристика ОУ

Передаточная характеристика ОУ приведена на рис.2.4

Рис.2.4 Передаточная характеристика по неинвертирующему входу (а);

Передаточная характеристика по инвертирующему входу (б)

Применение двух источников питания при подключении нагрузки к их общей точке позволяет формировать на выходе двухполярное напряжение. Следовательно, передаточная характеристика усилителя расположена в двух квадрантах. Из характеристик видно, что максимальное выходное напряжение ОУ () всегда меньше напряжения питания.

2.5 Частотные свойства ОУ

Характеризуется двумя группами параметров:

1) передаточная функция и соответствующие ей ЛАЧХ и ФЧХ;

2) максимальная скорость изменения выходного сигнала применяется для характеристики ОУ в импульсных схемах.

ОУ может быть с внутренней цепью коррекции или без него. На частотные свойства сильное влияние оказывают паразитные емкости ИС.

Передаточная функция каждого каскада  ОУ , где -постоянная времени каскада. Результирующие ЛАЧХ и ФЧХ отдельных каскадов. На рис. 2.5 приведена суммарная ЛАЧХ трехкаскадного ОУ. Декада – изменение частоты в 10 раз.

Если значения близки, то суммарный наклон ЛАЧХ будет менее - , при этом происходит потеря устойчивости. В этом случае в ОУ вводят дополнительную внешнюю или внутреннюю цепи коррекции, формирующие наклон его ЛАЧХ - во всем диапазоне частот, пока .

Такая коррекция сужает полосу пропускания усилителя. Если постоянная времени одного из каскадов усилителя существенно больше других, то наклон -  во всем диапазоне частот формируется самим усилителем и дополнительная коррекция может не понадобиться. В общем случае во всем диапазоне частот , где -собственный коэф. усиления ОУ, равный , -постоянная времени ОУ. Частотная коррекция необходима для предотвращения автоколебания выходного сигнала при охвате усилителя цепью ООС. Чем выше коэф. усиления ОУ, тем более он склонен к самовозбуждению даже без цепи ООС – за счет паразитных емкостей между входом и выходом.

2.6 Классификация ОУ

Быстродействующие, широкополосные: К140, УД23, 154, УД4, 514, УД1;

прецизионные: К140 УД21-26; общего применения: К140УД1УД22, 153, 551, 553; с малыми входными токами: К54УД1, УД2, 140УД24; многоканальные;

мощные; микромощные.

2.7 Компаратор на базе ОУ

Компаратор (рис. 2.6). Обеспечивает сравнение двух напряжений. Пусть , где -постоянное опорное напряжение. Тогда при одинаковых сопротивлениях R потенциал на инвертирующем входе будет равен полусумме величин  и

, т.е. нулю. Соответственно и оба диода заперты. Если теперь увеличить на величину , то потенциал инвертирующего входа станет положительным и на выходе появится отрицательное напряжение . При этом откроется диод Д2. Как известно, напряжение на открытом диоде – величина практически постоянная, равная . Принимая , приходим к выводу: после отпирания диода Д2  независимо от значения . Если , то отпирается диод Д1,     и тоже не зависит от . Величину , при которой отпирается тот или иной диод, называют чувствительностью компаратора .

На рис. 2.7 приведена передаточная характеристика компаратора. На графике, где масштаб напряжения составляет вольты или десятые доли вольта, интервал изобразить нельзя и характеристика компаратора будет иметь ступенчатый характер. На этом и основано использование компаратора:   они служат для сравнения меняющихся напряжений с эталонным напряжением  и фиксации момента их равенства. Фиксация равенства характеризуется резким изменением полярности выходного напряжения. В частном случае, когда , компаратор называют нуль-индикатором (рис. 2.8).

Рис. 2.7 Передаточная характеристика компаратора

Рис. 2.8 График работы компаратора

Стабилизатор напряжения ОУ включен в схему неинвертирующего усилителя, на вход которого подано  со стабилитрона Д. На транзисторе T выполнен повторитель напряжения, служит для увеличения тока (рис. 2.9).

Если , тогда  - опорное напряжение.

, где .

Меняя R1 и R2 , можно регулировать выходное напряжение. Использование ОУ позволяет резко уменьшить Rвых. стабилизатора. Если зададим на выходе приращение KU0, поступая на базу

транзистора, вызовет приращение эмиттерного тока . Деля  на , получаем .

Расчетное значение Rвых. может составить тысячные доли Ома и менее. В этом случае фактическое значение часто определяется сопротивлением металлизации или проводников.

2.8 Применение ОУ с обратными связями

2.8.1 Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 2.10. ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению. На И – вход подается часть выходного напряжения. Входной сигнал и сигнал ООС суммируется с помощью резисторов R1 и R2. Такая обратная связь называется параллельной. Коэффициент ОС ;

коэффициент усиления ;

;  .

Применение: для инвертирования входного сигнала; когда нужен усилитель, к которому не предъявляется требования высокого входного сопротивления, для суммирования нескольких входных сигналов (рис. 2.11).

Недостаток: низкое входное сопротивление, практически равное сопротивлению R1.

При R1=R2=R3=R

Uвых.=-(Uвх.1+Uвх.2+Uвх.3)RОС/R

2.8.2 Неинвертирующий усилитель на основе ОУ

Схема усилителя представлена на рис. 2.12. Входной сигнал подается на Н – вход. Обратная связь, используемая в неинвертирующем усилителе, носит название последовательной. Здесь дифференциальное входное напряжение ОУ образуется непосредственно как разность входного напряжения и напряжения обратной связи.

Коэффициент усиления.  .

Последовательная отрицательная ОС по напряжению в этом усилителе реализуется благодаря тому, что часть выходного напряжения с помощью резистивного делителя подается на И – вход ОУ.

Rвх неинвертирующего усилителя определяется двумя параллельно включенными сопротивлениями: входным сопротивлением ОУ для синфазного сигнала и эквивалентным RЭ, которое при Мсф= равно rвх+1).

Rвх.н.=rсфRЭ.

Rвых. определяется, как для инвертирующего усилителя.

Применение: Благодаря высокому входному сопротивлению применяется в качестве измерительного усилителя, в котором с помощью переключателя устанавливаются различные коэффициенты усиления.

При построении неинвертирующего усилителя переменного напряжения схему можно построить следующим образом:

Конденсатор С2 служит для того, чтобы, не пропускать на вход ОУ постоянную составляющую входного напряжения. Конденсатор С1 обеспечивает 100% - ую ООС по постоянному току. Это позволяет обеспечить стабильность режима ОУ по постоянному току: постоянная составляющая выходного напряжения ОУ поддерживается за счет ООС на уровне, близком к нулевому.

2.8.3 Повторитель напряжения на основе ОУ          

         Повторитель напряжения (рис. 2.14) является частным случаем неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным единице. Подобный повторитель напряжения образуется путем соединения выхода ОУ с его И – входом. Входное сопротивление весьма велико, а его выходное сопротивление мало. Применяется в тех случаях, когда необходимо повысить входное сопротивление или снизить выходное сопротивление электрических узлов.

Повторитель напряжения обычно включают между источником сигнала и нагрузкой с целью исключить влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение источника, имеющее сравнимое с нагрузкой внутреннее сопротивление.

2.8.4 Дифференциальный усилитель на базе ОУ

      Дифференциальный усилитель (рис. 2.15) предназначен для усиления разности двух входных напряжений. Стабилизация коэффициента усиления дифференциального усилителя так же, как и в инвертирующем и неинвертирующем усилителях, осуществляется с помощью ООС.

Если  принять, то выходное

напряжение будет суммироваться

пропорционально разности входных

сигналов: .

Недостатками простейшего дифференциального усилителя является низкие входные усиления и трудность регулировки коэффициента усиления. Регулировка возможна только путем одновременного изменения сопротивления двух регистров (напр.R2 ,R4). В противном случае будет нарушаться равенство . Целесообразно принять R3=R1 ;R4=R2 .

2.8.5 Мультивибратор

Схема мультивибратора показана на рис. 2.16.

OУ охвачен цепями ПОС и ООС, причем ПОС по своему действию во времени должна быть опережающей по отношению к ООС. Тогда цепь ПОС обеспечивает лавинообразный переход мультивибратора из одного состояния в другое, а цепь ООС (совместно с цепью ПОС) ограничивает время пребывания устройства в каждом из состояний. В схеме цепь ПОС выполнена дифференцирующей (С, R4, R3), а цепь ООС образована резистивным делителем R2, R1. Обозначим , . После перехода выходного напряжения мультивибратора, например, с уровня –Uорг на уровень +Uорг возникающий на Н-входе скачок напряжения  затем уменьшается по экспоненте. Полупериод колебаний t определяется временем, в течение которого напряжение на Н-входе уменьшиться до напряжения на Н-входе:

,

где . Исходя из этого равенства, находим период колебаний T=2t:

.

Мультивибратор работоспособен лишь при .

Длительность выходного импульса определяется временем разряда конденсатора С. Период

  1.  Ждущий мультивибратор

Схема мультивибратора показана на рис. 2.18. OУ исходно находится в состоянии отрицательного ограничения за счет источника +Е, напряжение которого через резистор R1 падает на Н-вход ОУ. Короткий положительный импульс, поступающий с зажимов Uвх на вход ОУ через дифференцирующую цепь С2, R4 и диод Д1, увеличивает выходное напряжение ОУ. При этом за счет ПОС возникает лавинообразный процесс, перево-

дящий ОУ в состояние положительного ограничения.

Условием возникновения лавинообразного является достаточная глубина ПОС, так, чтобы положительная составляющая напряжения, возникающая на Н-входе ОУ под действием ПОС, была больше напряжения, до которого был исходно напряжен конденсатор С1.

Длительность импульса мультивибратора определяется временем, в течение которого напряжение на Н-входе ОУ увеличивается до напряжения на Н-входе за счет заряда конденсатора С1 через резистор R1. Окончание импульса сопровождается обратным лавинообразным процессом. Диод Д2 служит для задержки работы мультивибратора. Когда ОУ устанавливается в состояние отрицательного ограничения, этот диод открывается и препятствует заряду конденсатора С1. Вследствие этого состояния отрицательного ограничения ОУ оказывается устойчивым для данного устройства.

ДЕКАДА-интервал между частотами, десятичный логарифм которых равен 1.

  1.  Интегратор

Называется ЭУ, выходной сигнал которого пропорционален интервалу по времени от его входного сигнала. Схема выполнена на ОУ, является инвертирующим усилителем, в ОС которого включен конденсатор C.

Передаточная функция при Rос=Zос(P),  является передаточной функцией идеального интегрирующего звена с постоянной времени T=RC. ЛАЧХ показана штриховой линией на рисунке, По первому закону Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ  или  ; .

Частота, на которой коэффициент передачи интегратора равен единице, не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ и определяется параметрами его внешней цепи. Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой , что определяется ограничением максимального коэффициента усиления ОУ.

Диапозон интегрирования реального интегратора ограничен сверху частотой , что является следствием ограничения полосы пропускания ОУ. Следовательно, приведённая выше схема интегратора может использоваться как интегратор в диапазона частот . Для реального интегратора передаточная функция .

2.8.8 Дифференциатор

Устройство, входной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, т. е. входной сигнал дифференциатора пропорционален

скорости изменения его входного сигнала. Дифференциатор является инвертирующим усилителем, в цепь ОС которого включено апериодическое звено RC. Передаточная функция  соответствует идеальному дифференцирующему звену. Для инвертирующего входа ОУ по первому закону Кирхгофа уравнения для суммы токов Uвых/R=-CdUвх/dt или Uвых=-RCdUвх/dt. ЛАЧХ имеет постоянный наклон +20дб/дек (штриховая линия), Если модуль передаточной функции приравнять к единице, то частота, как и в интеграторе, будет равна ωс=1/RC.

PAGE  38

Rн

Uывх.

-En

+En

Uвх2

Uвх.1

Вх2

Вх1

+

-

Uвых.

Rн

K0Uвх.

Rвых.

+

-

Iн

R2

Iвх.

Rвх.

Uвх.

+

-

R1

I1

I2

Er

+

-

Uвх.н

Uвх.н

VT3

VT4

RЭ1

RЭ

VT1

VT2

RК1

RК1

Rсм

VT5

RЭ2

VT7

VT6

RК2

RЭЗ

VД2

VД1

RКЗ

VT8

RЭ4

+

-

Uвых.

RЭБ

VТ9

Un

-

Un

+

Uкор.

Входной каскад

Согласующий каскад

Выходной каскад

Д2

Д1

Uвх.

Uвых.

+Un

Uвых. max

-Uвых. max

0

Uсм.

-Un

Uвых.

+Un.

Uвых. max

-Uвых. max

-Un

Uсм.

0

Uвх.

а)

б)

KU

K3

K2

K1

-20дБ/дек

-20дБ/дек

-20дБ/дек

-20дБ/дек

-40дБ/дек

-60дБ/дек

lg

1/T3

1/T2

1/T1

+

-

U2

R

R

Eon

U1

-

+

Рис.20 Дифференциатор

t

t

U1

-U*

Eon

U2

+U*

U2 (вых.)

R2

а

R1

-

+

R0

Uon

Д +-

Т

U1 (вых.)

+

-

Uвых.

-

+

R2

R3

R1

Uвх.

Рис.2.11 Инвертирующий сумматор

U3

U2

U1

Rкор.

+

-

R3

R2

R1

Uвых.

RОС

  Рис.2.12 Неинвентирующий

                 усилитель

Uвх.

+

-

R3

R1

R2

Рис.2.13 Неинвертирующий усилитель

             переменного напряжения

C2

C1

+

-

R3

R1

R2

Uвх.

Uвых.

Uвх.

-

+

Рис.2.15 Дифференциальный

               усилитель

U1

R3

+

-

R4

R1

R2

U2

+U*

-Eon

0

U2

-U*

U1

Рис. 2.19  Интегратор

Рис.2.18 Ждущий

мультивибратор

Рис.2.17 График работы

мультивибратора

Рис.2.16 Мультивибратор

Uвых.

Рис.2.14 Повторитель напряжения

Uвых.

Uвых.

Рис. 2.10 Инвертирующий

усилитель

Рис. 2.9 Стабилизатор напряжения

Рис. 2.5 Суммарная ЛАЧХ трехкаскадного ОУ

Рис.2.2 Схема ОУ с активной отрицательной  обратной связью

Рис.2.1 Структурная схема ОУ

Рис. 2.6 Компаратор


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51197. Цифровое управляющее устройство в контуре управления 466.86 KB
  Цифровое управляющее устройство в контуре управления Влияние периода дискретизации. Поэтому значения управляемых координат присутствующих в ЦВМ отличаются от значений их же в объекте управления.1 h=l Наилучшие параметры по результатам проведенных опытов а0=1 1=l с дискретизацией h=100 Вывод: По результатам исследования системы мы можем утверждать что при увеличении шага дискретизации цифрового управляющего устройства качество переходных процессов в системах управления ухудшается что связанно с запаздыванием по времени вносимым...
51198. Цифровое управляющее устройство в контуре управления 660.15 KB
  Для отработки блока дискретизации рассмотрена система с неидеальным запаздывающим АС.1 Система неустойчива 0.4 Система неустойчива 0.1 Система неустойчива 0.
51199. Анализ влияния дискретизации на перерегулирование 55.18 KB
  Цель: сравнение результатов с идеальным и неидеальным АС на одном графике при различных h. Результаты исследования влияния т и h на уравнение с неидеальным...
51200. Анализ влияния дискретности цифровой системы управления на параметры автоколебаний в системе с релейными исполнительными органами 559.64 KB
  Определить зависимость частоты и размаха автоколебаний от величины Мупр а0 и а1 при h = 1. Определить зависимость частоты и размаха автоколебаний от величины Мупр а0 Т при h = 50. Определили зависимость частоты и размаха автоколебаний от величины Мупр а0 и а1 при различных h. Результаты исследования влияния а0 и h на уравнение моделирующее работу цифровой системы управления с релейными и...
51201. Исследование биполярного транзистора 497.57 KB
  Цель работы: изучение свойств биполярного транзистора в режиме постоянного тока и при переменном сигнале в зависимости от схемы его включения. Характеристики биполярного транзистора П306А: Тип прибора Проводимость Предельные значения параметров при Т=25С Значения параметров при Т=25С П306А pnp 80 04 10 005 535 01 60120 Схемы установок для исследования транзисторов: Рис.1 Схема с общей базой для исследования выходных статических характеристик биполярного транзистора...
51202. Разработка интерпретатора текстовой (теговой) разметки документа 148.66 KB
  Идея языков разметки состоит в том, что визуальное отображение документа должно автоматически получаться из логической разметки и не зависеть от его непосредственного содержания. Это упрощает автоматическую обработку документа и его отображение в различных условиях (например, один и тот же файл может по-разному отображаться на экране компьютера, мобильного телефона и на печати...
51203. Аналитическое моделирование дискретно-стохастической СМО 241.97 KB
  Цель: Построить граф состояний СМО . Смысл кодировки состояний раскрыть (время до выдачи заявки, число заявок в накопителе и т.д.). На схеме условно обозначены
51204. Построение аналитической и имитационной модели одноканальной СМО с неограниченной очередью и ее исследование 56.42 KB
  Цель: Имеется n-канальная СМО с неограниченной очередью. Входной поток и поток обслуживаний - простейшие с интенсивностями и соответственно. Время пребывания в очереди ограничено случайным сроком , распределенным по показательному закону с математическим ожиданием...