89386

Усилители постоянного тока, операционные усилители, интегральные операционные усилители

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилитель называют усилителем постоянного тока УПТ если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ которому присуще такое вредное явление как дрейф нуля. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей использование отрицательных обратных связей применение...

Русский

2015-05-12

121.41 KB

5 чел.

Усилители постоянного тока, операционные усилители, интегральные операционные усилители.

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может использоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являющиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее устройство операционных усилителей не рассматривалось.

Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальванической связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя являются: изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окружающей среды; изменение питающих напряжений; постоянное изменение параметров активных и пассивных элементов схемы, вызванное их старением. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэтому при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры для компенсации температурного дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобразованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является также согласование потенциалов соседних каскадов, согласование источника входного сигнала с УПТ, а также подклю
чение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении, напряжение на нагрузке было также равно нулю. Поэтому простейшие УПТ, состоящие из
нескольких каскадов, включенных последовательно и соединенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают
рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое — источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 2.35.

Коллекторные сопротивления RK1 и RK2, транзисторы Т1 и Т2, резистор Rэ образуют мост, к одной диагонали которого подключен источник питания ЕK, а в другую диагональ — между коллекторами транзисторов — включается нагрузка.

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (RK1 = Rк2, T1 и Т2 одинаковы) потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и ивых, равное ик1 — ик2, равно нулю. Высокая стабильность схемы объясняется тем, что при изменении напряжения источника питания или при одинаковых изменениях параметров транзисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, следовательно, выходное напряжение остается равным нулю. В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и значительно меньше, чем в других схемах. Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Представив Rэ в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 2.35), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизацией, объединенных соответствующим образом (см. вертикальные разделительные линии). Включив последовательно с Rэ дополнительный источник Еэ, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возможно убрать из схемы сопротивления делителей R1 ,R2, R3, R4 .В результате получится схема дифференциального усилителя.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение Термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усили-. тели в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутренних цепях операционного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иному объекту как электроники, так и других областей науки и техники всегда можно вьщелить следующие две тенденции. Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучить и учесть внутреннюю струк-,туру и внутренние процессы объекта, а вторая — в стремлении охарактеризовать объект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношении операционного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вдолне приемлемые практические результаты.

1.6.1.  Краткое описание

операционного усилителя

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15В и —15В). По-другому это называют питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника ±15В.

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя (рис. 1.133). Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 1.134).

                                              Рис. 1.133

Ниже будет показано, что если входное напряжение ивх  достаточно мало по модулю, то выходное напряжение ивых определяется выражением

Часто на схемах выводы +U, U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 1.135). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 1.136).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 1.137).

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 1.138).

                  Рис. 1.138

Напряжение идиф между инвертирующим и неинверти-рующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что

             идиф=и+-и_

Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение ивых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности и+ — и_) и как можно меньше изменяли напряжение ивых при одинаковом изменении напряжений и+ и и_.

Пусть идиф = 0. Сделаем обозначение: иСФ= и+ = и_. Напряжение иСФ называют синфазным напряжением (синфазным сигналом). Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

 Интегральный усилитель представляет собой законченный функциональный блок, изготовленный в одном корпусе, имеющий параметры заданные в технических условиях, в принципиальную схему которого нельзя внести никаких изменений,  не  предусмотренных  при  его  проектировании. Интегральные микросхемы включают в себя отдельные усилительные каскады, а также их комбинации и модернизированные варианты. Они отличаются от усилителей, выполненных на дискретных элементах, только методами изготовления отдельных компонентов схем и технологией изготовления законченных функциональных узлов. В большинстве случаев принципиальные схемы интегральных усилителей выглядят значительно сложнее своих дискретных аналогов.

    При подключении требуемых напряжений питания и выполнении необходимых соединений такой законченный функциональный блок имеет параметры, указанные в отраслевых стандартах на  применение  данного  усилителя.

    При использовании интегральных микросхем отпадает необходимость в расчете, сборке и настройке отдельных каскадов. В этом случае на первый план выдвигаются вопросы согласования отдельных микросхем, введения цепей обратных связей (ОС), обеспечивающих получение необходимых параметров, обеспечения устойчивости  всей  системы,  охваченной  цепями  ОС,  и т. д.

    Основу построения большинства усилителей в автоматических устройствах составляют операционные усилители (ОУ) – многокаскадные транзисторные усилители постоянного тока, выполненные на одном полупроводниковом кристалле. Операционный усилитель имеет две входных цепи – прямой и инвертирующий входы. Принципиальная схема типового операционного усилителя в интегральном исполнении и его условное обозначение приведены на рисунке 1

 

     

 

Рис1. а)  Принципиальная схема ОУ ; б) условное обозначение ОУ .

Принцип работы (ОУ) заключается в том, что выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на неинвертирующем  входе (3) UВХ2 становится более положительным, чем потенциал на инвертирующем входе (2) UВХ1, и наоборот:  Uвых= КU× (UВХ2-UВХ1).

 Идеальный ОУ обладает бесконечно большим коэффициентом передачи по напряжению KU, току и, соответственно, коэффициентом усиления по мощности. При построении усилителей систем автоматики на базе ОУ часть выходного сигнала через цепи отрицательной обратной связи возвращается на инвертирующий вход. В этом случае коэффициент усиления (передачи) усилителя в целом определяется параметрами цепей отрицательной обратной связи.

При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием "идеального ОУ", для которого:

·        Коу стремится к бесконечности;

·        Rвх – входное сопротивление стремится к бесконечности (Iвх – входной ток равен нулю);

·        Rвых – выходное сопротивление равно нулю;

·        Uвых= 0 при Uвх- = Uвх+ = 0 т.е. ОУ сбалансирован;


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26050. Понятие информации в информатике 22.96 KB
  Система представления чисел двоичными цифрами называется двоичной системой счисления. В общем случае позиционной системой счисления называется позиционное представление чисел в котором последовательные цифровые разряды являются целыми степенями целого числа называемого основанием системы. Например в десятичной системе счисления основанием которой является число 10 каждый следующий старший разряд в 10 раз больше предыдущего. Целое число М в позиционной системе счисления с основанием n записывается в виде M=ak ak1a1 a0 где ak ak1a1 a0...
26051. Импульсные и непрерывные электрические сигналы. Характеристики импульсных непрерывных электрических сигналов 14.34 KB
  Импульсные и непрерывные электрические сигналы. Характеристики импульсных непрерывных электрических сигналов Электрические импульсы генерируемые с определённой частотой тактовой частотой управляют всей работой компьютерного процессора побуждая его совершать ряд последовательных операций по обработке информации. Электрические импульсы возникающие в результате природных или техногенных процессов могут приводить к нежелательным результатам. Электрические импульсы различаются по форме виду зависимости тока или напряжения от времени и...
26052. Транзисторно-транзисторная логика ТТЛ) 17.7 KB
  нас RБ достаточный для того чтобы транзистор находился в режиме насыщения. В результате увеличится ток базы VT2 который будет протекать от источника питания через резистор Rб и коллекторный переход VT1 и транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения.нас=U0 транзистор VT2 в насыщении. 0 многоэмиттерный транзистор VT1 находится в режиме насыщения а транзистор VT2 закрыт.
26053. Микросхемы ТТЛ с диодами Шотки(ТТЛШ) 13.52 KB
  3 Элементы ТТЛШ С целью увеличения быстродействия элементов ТТЛ в элементах ТТЛШ используются транзисторы Шотки представляющие собой сочетание обычного транзистора и диода Шотки включённого между базой и коллектором транзистора. Поскольку падение напряжения на диоде Шотки в открытом состоянии меньше чем на обычном pnпереходе то большая часть входного тока протекает через диод и только его малая доля втекает в базу. В связи с этим имеет место увеличение быстродействия транзисторного ключа с барьером Шотки в результате уменьшения времени...
26054. Эмитерно-связанная логика(ЭСЛ) 14.42 KB
  Он состоит из двух транзисторов в коллекторную цепь которых включены резисторы нагрузки RК а в цепь эмиттеров обоих транзисторов общий резистор Rэ по величине значительно больший Rк. На вход одного из транзисторов подаётся входной сигнал Uвх а на вход другого опорное напряжение Uоп. Схема симметрична поэтому в исходном состоянии Uвх=Uоп и через оба транзистора протекают одинаковые токи. При увеличении Uвх ток через транзистор VT1 увеличивается возрастает падение напряжения на сопротивлении Rэ транзистор VT2 подзакрывается и ток...
26055. Сравнительный анализ технологий производства микросхем 18.62 KB
  Если этот дефект окажется в критической точке то последующая диффузия примеси может вызвать короткое замыкание перехода и выход из строя всей микросхемы. Одним из эффективных методов визуализации является использование сканирующего электронного микроскопа позволяющего наблюдать топографический и электрический рельеф интегральной микросхемы. Для наблюдения необходимо чтобы поверхность микросхемы была открытой. Такую аппаратуру используют для оценки качества конструкции данной микросхемы...
26056. Регистры. Связь регистров между собой и с другими источниками данных 15.3 KB
  Связь регистров между собой и с другими источниками данных Регистры это функциональные узлы на основе триггеров предназначенные для приёма кратковременного хранения на один или несколько циклов работы данного устройства передачи и преобразования многоразрядной цифровой информации. В зависимости от способа записи информации кода числа различают параллельные последовательные и параллельно последовательные регистры. Появление импульса на тактовом входе регистра сдвига вызывает перемещение записанной в нём информации на один разряд...
26057. Демультиплексоры и дешифраторы 14.69 KB
  Схемы сравнения Цифровые компараторы являются универсальными элементами сравнения которые помимо констатации равенства двух чисел могут установить какое из них больше. Простейшая задача состоит в сравнении двух одноразрядных чисел. Для сравнения многоразрядных чисел используется следующий алгоритм. Устройство обладает свойством наращиваемости разрядности сравниваемых чисел.
26058. Схемы интегральных счётчиков 15.75 KB
  Микросхема К155ИЕ2 имеет кроме того входы установки в состояние 9 при котором первый и последний разряды устанавливаются в 1 а остальные в 0 то есть 10012=9. Десятый импульс переводит триггеры МС в состояние при котором на выходах 4 и 6 МС формируются лог. Адресные дешифраторы строк ДШx и столбцов ДШy формируют сигналы выборки на соответствующих АШ которые определяют строку и столбец накопителя в котором расположен выбираемый ЭП. Если при этом сигнал на входе то СУ формирует управляющий сигнал при котором ФЗС обеспечивает...