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

29038. Условия применения свайных фундаментов. Классификация свай по материалу, форме продольного и поперечного сечения 42.5 KB
  Сваи погружаемые в грунт в готовом виде в зависимости от материала из которого они изготовляются подразделяются на железобетонные деревянные стальные и комбинированные. Железобетонные сваи получившие наибольшее распространение в практике строительства подразделяются: по форме поперечного сечения на квадратные квадратные с круглой полостью полые круглого сечения прямоугольные тавровые и двутавровые рис.1; по форме продольного сечения на призматические цилиндрические с наклонными боковыми гранями пирамидальные...
29039. Понятие о висячих сваях и сваях-стойках. Определение несущей способности свай-стоек 28.5 KB
  По характеру передачи нагрузки на грунт сваи подразделяются на висячие сваи и сваистойки. К сваямстойкам относятся сваи прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые скальные или малосжимаемые грунты крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем глины твёрдой консистенции. Сваястойка практически всю нагрузку на грунт передаёт через нижний конец так как при малых вертикальных перемещениях сваи не возникают условия для проявления сил трения на её боковой поверхности рис. Сваястойка работает как сжатый...
29040. Определение несущей способности висячих свай по таблицам СНиП. Понятие о негативном трении и его учёт при определении несущей способности свай 35.5 KB
  Расчёт несущей способности вертикально нагруженных висячих свай производится как правило только по прочности грунта так как по прочности материала сваи она всегда заведомо выше.0385 широко применяемый в практике проектирования и известный под названием практического метода позволяет определять несущую способность сваи по данным геологических изысканий. Метод базируется на обобщении результатов испытаний большого числа обычных и специальных свай вертикальной статической нагрузкой проведенных в различных грунтовых условиях с целью...
29041. Динамический метод определения несущей способности одиночной сваи. Понятие об отказе. Уравнение работ. Контроль за сопротивлением свай при их забивке 28.5 KB
  Динамический метод определения несущей способности одиночной сваи. При молотах ударного действия скорость погружения сваи принято характеризовать величиной её погружения от одного удара называемой отказом сваи. По величине отказа который замеряется при достижении сваей проектной отметки можно судить о её сопротивлении поскольку чем меньше отказ тем очевидно больше несущая способность сваи. Динамический метод и заключается в определении несущей способности сваи по величине её отказа на отметке близкой к проектной.
29042. Определение числа свай в фундаменте. Конструирование ленточных свайных фундаментов 27 KB
  Определение числа свай в фундаменте. Конструирование ленточных свайных фундаментов. Зная несущую способность сваи Fα и принимая что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента необходимое число свай n на 1 м длины ленточного фундамента определяется по формуле: 1 где γк коэффициент надёжности принимаемый в зависимости от способа определения несущей способности сваи; N01 расчётная нагрузка на 1 м длины ленточного фундамента. Число свай на 1 м найденное по формуле 1 может быть дробным.
29043. Определение числа свай в фундаменте. Конструирование отдельно стоящих свайных фундаментов 22 KB
  Определение числа свай в фундаменте. Конструирование отдельно стоящих свайных фундаментов. Зная несущую способность сваи Fα принимая что ростверк обеспечивает равномерную передачу нагрузки на все сваи фундамента необходимое число свай n в кусте определяют по формуле 1 где γк коэффициент надёжности принимаемый от способа определения несущей способности сваи; N01 расчётная нагрузка на куст. Полученное по формуле 1 число свай округляется в сторону увеличения до целого числа.
29044. Договор аренды: понятие, элементы, права и обязанности сторон 125.5 KB
  Договор аренды имущественного найма это соглашениепо которому арендодатель обязуется предоставить арендатору имущество за плату во временное владение и пользование или во временное пользование. Поэтому правовое регулирование аренды обусловлено также платным характером временного пользования. Общие положения об аренде представляют собой нормы которые могут применяться к любым видам договора аренды если иное не установлено правилами об этих договорах ст.
29045. Договор подряда: понятие, элементы, права и обязанности сторон 51.5 KB
  По договору подряда одна сторона подрядчик обязуется выполнить по заданию другой стороны заказчика определенную работу и сдать ее результат заказчику а заказчик обязуется принять результат работы и оплатить его. Особенности данного договора: предметом договора является изготовление или переработка вещи либо выполнение другой работы. Оплачивается результат работы который подлежит передаче заказчику а не процесс; сторонами договора являются: подрядчик физическое или юридическое лицо. Отдельные виды договора подряда: бытовой подряд;...
29046. Договор хранения: понятие, элементы, права и обязанности сторон 87 KB
  Договор хранения: предмет договора виды форма договоров хранения. Права и обязанности сторон по договору хранения Договор хранения соглашение по которому хранитель должен хранить вещь переданную ему поклажедателем и возвратить ее в сохранности. Договоры хранения можно разделить на два вида: бытовые как правило безвозмездные и коммерческие.