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

76356. Неразрушающий контроль оборудования АЭС 138 KB
  Контроль сварных соединений оборудования АЭС. ПНАЭГ703191 УЗК Унифицированные методики контроля основных материалов полуфабрикатов сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ Часть 3 ПНАЭ Г703291 УЗК Унифицированные методики контроля основных материалов полуфабрикатов сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ Часть 4 ПНАЭ Г703091 УЗК Унифицированные методики контроля основных материалов полуфабрикатов сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ Часть 2 продолжение...
76357. Разрушающий контроль при изготовлении оборудования АЭС 236 KB
  Неразрушающий контроль оборудования АЭС окончание. Разрушающий контроль при изготовлении оборудования АЭС начало. Контроль сварных соединений оборудования АЭС. Таблицы контроля качества устанавливают необходимость выполнения конкретных контрольных операций.
76359. Ультразвуковой контроль - дефектоскопия и толщинометрия 166.5 KB
  Сущность эхо-импульсного метода УЗК. Ввод и приём УЗ колебаний, мёртвые зоны и способы их сокращение. Эталонирование чувствительности УЗК. Основные этапы разработки методики производственного УЗ контроля. Расшифровка и представление результатов УЗК.
76360. Качество продукции и технический контроль 24.15 KB
  Качество продукции и технический контроль. Качество продукции и технический контроль. Основные понятия относящиеся к качеству продукции. Основные понятия относящиеся к качеству продукции определяются стандартами...
76361. Неразрушающий контроль (НК) и аттестация изделий 61.4 KB
  Диаграмма испытаний график зависимости нагрузки от абсолютной деформации образца. Начальная расчетная длина образца lo участок рабочей длины образца между нанесенными метками до испытания на которое определяется удлинение. Напряжение течения σ напряжение превышающее предел текучести определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытаний площади поперечного сечения образца при равномерном деформировании. Предел прочности σв напряжение соответствующее наибольшей нагрузке предшествующей разрыву образца.
76362. Задачи визуального и измерительного контроля (ВИК) 369.73 KB
  Способность правильно различать основные цвета называется нормальной трихромазией. Минимальный ахроматический интервал у красного цвета что несмотря на плохую чувствительность глаза в той области является одной из причин использования красного цвета для сигналов опасности или запрета. Цветоведение колористика наука о цвете включающая знания о физической природе цвета и его основных характеристиках ахроматических и хроматических цветах дополнительных и контрастных цветах колорите и цветовой гармонии.Все цвета по своим физическим...
76363. Оптические средства, измерительный контроль 831 KB
  Основным параметром любого оптического прибора является увеличение кратность Г отношение углового размера изображения малого предмета видимого через наблюдательный прибор к угловому размеру самого предмета видимого невооруженным глазом. Угол под которым глаз наблюдателя видит изображение предмета образованное оптической системой наблюдательного прибора;α2 угол под которым предмет виден невооруженным глазом. Зная...
76364. Капиллярная дефектоскопия 424.54 KB
  Физическая сущность ЦД контроля: пенетрация краевой угол смачивания капиллярные явления и уравнение Лапласа. Технологическая схема ЦД контроля чувствительность метода. Дефектоскопические материалы для ЦД контроля Метод контроля основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей пенетрантов в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя. Капиллярный НК предназначен для обнаружения невидимых или...