9948

Операционные усилители

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Операционные усилители Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить основы построения дифференциальных усилителей, структурную схему, характеристики и параметры операционных усилителей. 2. Прививать мет...

Русский

2013-03-19

211 KB

78 чел.

Операционные усилители

 Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить  основы  построения  дифференциальных  усилителей, структурную схему, характеристики и параметры операционных усилителей.

2. Прививать  методические  навыки  логического   изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление.

Время:  2 часа

План лекции

       №

      п/п

                       Учебные вопросы

  Время

     мин.

       1.

       2.

      3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Дифференциальные усилители.

2. Структурная схема операционного усилителя.

3. Параметры и характеристики операционных усилителей.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

      5

     80

     30

     20

     30

       5

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Базовые элементы аналоговых ИС".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.371-380.

2.Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники",2001г., стр.357-373.

ВВОДНАЯ   ЧАСТЬ

Изученные  в  дисциплине ТЭЦ широкополосные   усилители оказываются  неспособными усиливать колебания,   нижняя  граничная частота полосы которых близка к нулю.

В  то  же  время на практике часто необходимо усиливать сколь   угодно   медленно меняющиеся   колебания,    например,    в измерительных приборах, счетно-решающих  устройствах,   следящих системах и т.д.  Для усиления медленно меняющихся колебаний  служат усилители  постоянного  тока, которые составляют основу многофункциональных интегральных схем – операционных усилителей, на основе которых можно реализовать практически любую операцию обработки аналогового сигнала. Изучению этого материала и будет посвящена сегодняшняя лекция.

ОСНОВНАЯ   ЧАСТЬ

1.Дифференциальные усилители

Усилитель постоянного  тока  -  это усилитель, способный усиливать сколь угодно медленные электрические колебания. Коэффициент  усиления  такого   усилителя   в   области нижних  частот  поддерживается постоянным и  равным   коэффициенту усиления в области  средних  частот  вплоть  до  частоты  ω  =0(рис.1).  Для  построения  усилителя  постоянного  тока  (УПТ)  в принципе можно использовать изученные  ранее  схемы  усилителей  с исключением из них разделительных конденсаторов, т.е.  связь  между каскадами  усилителя  должна   быть   гальванической  (посредством проводников, резисторов, диодов, стабилитронов).

Стабилизация  начальной  рабочей  точки  в  режиме  покоя в простейших транзисторных  УПТ может осуществляться рассмотренными  ранее методами,  а ликвидация начального тока через нагрузку достигается использованием  мостовых балансных цепей,  а  также  двухполярного питания.

Однако  добиться  высоких качественных  показателей  от УПТ, построенных    на   основе   простейших   схем   транзисторных усилителей не представляется возможным из-за неизбежного изменения режима каскадов,   которое  вследствие   гальванических  связей изменяет выходное напряжение или ток УПТ - так называемый дрейф. Причинами дрейфа являются дестабилизирующие факторы:

1. Изменение температуры окружающей среды.

2. Изменение давления и влажности окружающей среды.

3. Колебания напряжения источников питания.

4. Старение УЭ и других компонентов усилителя.

Для сравнения различных усилителей по дрейфу используют его  уровень, приведенный к входу усилителя.

Уровень   дрейфа  -  это  эквивалентная  ЭДС   в   цепи источника  сигнала,  создающая  такое  же  напряжение  на   выходе усилителя,   какое   в   действительности  вызывает  воздействие дестабилизирующих факторов. Указанную ЭДС обычно находят,  поделив напряжение  дрейфа  на  выходе  усилителя  на  соответствующий коэффициент усиления.

Для  одиночных  каскадов  с  ОЭ  дрейф  по  напряжению примерно равен 2-8 мВ/град для кремниевых биполярных транзисторов, 20-30 мВ/град для германиевых.  В каскадах на полевых транзисторах с общим истоком дрейф также может достигнуть 3-4 мВ/град.

Такие  величины  дрейфа  неприемлемы  для УПТ,  поэтому необходимо  применять  специальные  меры  по  уменьшению   дрейфа. Перечислим некоторые из них:

1. Уменьшение  пределов  изменения  дестабилизирующих величин.

2. Применение    схем    термокомпенсации     дрейфа.

3. Применение общей ООС.

4. Использование в УПТ балансных (или мостовых схем).

В этом случае уменьшаются уровни дрейфа, обусловленные  и  изменением напряжения  питания,   и  температуры окружающей  среды,  а  также  старением элементов усилителя.  Меньший  дрейф  обеспечивают симметричные балансные схемы, которые   образуют  два плеча моста. Симметричные балансные усилители можно построить как с последовательным, так и с параллельным включением УЭ по  отношению к источнику  питания.  Наибольшее  распространение  получил параллельный  балансный усилитель,  который часто  называют  дифференциальным (разностным).  Рассмотрим  основные  особенности схемы  и  принцип  работы простейшего дифференциального  усилителя (рис.2).

Схема состоит  из двух одинаковых (симметричных)  плеч, каждое  из  которых  содержит  транзистор  и  резистор. В  общую эмиттерную  цепь  включается источник тока,  либо  резистор  Rэ  (элемент ООС).

Выходным  напряжением  является  разность  коллекторных потенциалов, а  входным - разность базовых потенциалов.  В  основе дифференциального  усилителя  лежит  идеальная  симметрия обеих плеч, т.е. идентичность  параметров  VT1  и  VT2, и равенство сопротивлений  Rк1  и  Rк2.  Только в этом случае  Uвых  =  0  при воздействии синфазной помехи,  а также исключается  температурный дрейф  НРТ, что обеспечивает возможность усиления постоянного  и медленно изменяющегося напряжения и тока.

Создание  таких усилителей стало возможным с  развитием микроэлектроники. Только в ИС, где элементы располагаются друг  от друга  на  расстоянии единиц микрон, можно обеспечить идентичность параметров, температурных коэффициентов и т.п.

Схема предназначена для увеличения амплитуды напряжения сигнала  в  диапазоне  частот  0  до ωв (десятки  мегагерц), обеспечения высокой  стабильности  режима  покоя  (малого  уровня  дрейфа) и подавления синфазной помехи.

При отсутствии входного сигнала и заданных одинаковых режимах во входных цепях   в схеме  будут протекать постоянные  токи Iбп1,  Iбп2, Iкп1,  Iкп2. Последние два создают на резисторах Rк1 и Rк2 падение напряжения  Uк1=Iкп1  Rк1 и Uк2=Iк2Rк2 .  Величины этих напряжений равны, равны  и  потенциалы  в  точках а и б  схемы,  т.е.  выходное напряжение равно нулю.

С  целью  обеспечения малого дрейфа  нуля  и  надежного подавления синфазной  помехи  (что  будет показано ниже)  в  схеме создана  глубокая ООС,  которая не уменьшает коэффициент  усиления дифференциального сигнала.

При подаче на входы усилителя одинаковых по величине  и фазе   колебаний   (помеха) входные   токи   транзисторов,  а следовательно  и токи коллекторов будут одновременно увеличиваться или уменьшаться.  Поскольку коэффициенты усиления каждого  плеча одинаковы, то  потенциалы коллекторов изменяются одинаково,  а  выходное напряжение при полной симметрии схемы равно нулю.

Таким  образом,  дифференциальный усилитель при строгой симметрии  схемы  не  усиливает,  а  подавляет  синфазный  сигнал, причем  эффект "подавления" будет тем больше, чем больше  величина Rэ,  обеспечивающая  ООС  по току для  обоих  синфазных  сигналов, причем  эффект  "подавления" будет тем больше, чем больше  величина Rэ, обеспечивающая ООС по току для обоих синфазных сигналов.

При  воздействии  на входы схемы  двух  одинаковых   по величине,   но  противоположных по фазе  колебаний,   коллекторные токи   транзисторов   VT1  и  VT2  изменяются  в   противоположных направлениях.  Это вызывает противоположное изменение  потенциалов коллекторов  и  напряжение на выходе оказывается  пропорциональным входному дифференциальному сигналу.

Uвых =Kд (Uвх1 –Uвх2 )=Kд  Uвх д

где:  Кд - коэффициент  усиления  дифференциального  сигнала. Поскольку на транзисторы VT1 и VT2 действуют противофазные напряжения,  то  токи  эмиттеров  этих  транзисторов  также  будут меняться в противофазе. Приращение   одного   тока будет компенсироваться в симметричной схеме противоположным  приращением другого  тока.   Значит  через  резистор  Rэ  переменный  ток   не протекает  и  переменное напряжение  на  нем  будет отсутствовать, а  следовательно  отсутствует  и  ООС,  которая  имела  место  для синфазной помехи и режима покоя.

Для  обеспечения необходимого (как  правило,  очень большого)   коэффициента   усиления   дифференциального сигнала усилитель собирают на супербета  транзисторах  (  = 3 - 5 тыс.), что  в  свою  очередь увеличивает входное сопротивление усилителя и составляет  десятки  килоом.  Еще большая величина входного сопротивления может быть обеспечена при   использовании составных транзисторов, у которых      равно десятки тысяч или МДП-транзисторов.

Выходное сопротивление единицы килоом, т.к.

Напряжение   на нагрузке создается током двух транзисторов, одинаковых  по  величине, но  изменяющихся  противофазно,  поэтому амплитуда  напряжения  увеличивается  вдвое,  а  амплитуда   тока остается той же.

Часто  на  вход дифференциального усилителя  может действовать  слабый  полезный  противофазный  сигнал и сильная синфазная помеха. Для оценки способности  дифференциального усилителя  выделить слабый противофазный сигнал  на  фоне  сильной синфазной  помехи  используют  коэффициент  ослабления  синфазного сигнала.

где:  r э - внутреннее сопротивление эмиттерной  области транзистора.

Дифференциальные усилители могут использоваться  в УПТ с различными схемами включения:

-  с симметричным входом и несимметричным выходом. Bыходное  напряжение  в этом случае снимается с одного  коллектора транзистора относительно общей точки;

 с   симметричным  входом  и  выходом.  Источник входного  сигнала  включается между входами,  выходное  напряжение снимается между коллекторами;

-  с несимметричным входом и симметричным выходом. При  этом способе источник входного сигнала подключается к  одному из входов, а второй вход соединяется с общей точкой;

-  с   несимметричным входом и выходом.  В этом  случае используется  один  из входов усилителя для подключения  источника сигнала,  а  выходное напряжение снимается с одного из коллекторов транзистора.

Дифференциальный  усилитель,  являясь  составной  частью многокаскадных  УПТ,  может использоваться в виде самостоятельной схемы. Примером  служит микросхема К122УД1,  используемая в   современных радиоприемных устройствах.

2. Структурная схема операционного усилителя

Операционный усилитель  (ОУ) - это УПТ с весьма большим коэффициентом усиления по напряжению. Характерной особенностью  ОУ является  наличие  двух входов и одного выхода (рис 3).   Один  из  входов обозначается  символом  "  -  " и называется  инвертирующим.   При подаче  сигнала  на  этот  вход  выходной   сигнал  оказывается  в противофазе с входным.  Другой вход ОУ обозначается символом  "+" и   называется   неинвертирующим.  При  подаче сигнала   на   этот вход   выходной  сигнал  оказывается в фазе с  входным  сигналом. Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис.3.

Питание  ОУ осуществляется обычно от двухполярного источника.  Термин  "ОУ" дан потому, что первоначально ОУ предназначался  для применения в  аналоговых вычислительных  машинах  для  выполнения математических операций,  таких  как  суммирование, вычитание, масштабирование и т.д.

ОУ представляет собой многокаскадный УПТ.  В зависимости  от числа каскадов,   вносящих  основной  вклад  в  коэффициент усиления,  различают трех- и двухкаскадные ОУ.

Три и более усилительных каскада имели ОУ первоначальных разработок (60-е годы).

Cовременный ОУ - это усилитель напряжения,  коэффициент усиления  которого   в  полосе частот от 0 до нескольких  десятков килогерц составляет величину 103 – 105 и является двухкаскадным.  В его  структуре  можно  выделить  три  основных  элемента:  входной каскад, усилитель напряжения и выходной каскад (рис.4).

Кроме того, схема ОУ  может  содержать  еще  ряд вспомогательных цепей, корректирующие цепи, схемы сдвига  уровней, схемы  защиты  выходного каскада  от перегрузки   при  коротком замыкании выхода,  стабилизаторы напряжения и тока и т.д.

Входной  каскад  ОУ представляет  собой дифференциальный усилитель, что  обеспечивает высокое входное сопротивление  ОУ  и  сравнительно  малую чувствительность   его основных   характеристик   к   изменениям напряжения питания.

Этот усилитель имеет повышенный коэффициент усиления из-за  специальных  схемных решений. Например,  вместо  резисторов  в коллекторные  цепи  включается  динамическая  нагрузка  на  основе транзисторов,  в  качестве  УЭ используют  транзисторы  с  большим коэффициентом  усиления  (супербета-транзистор) и т.д.

Усилитель  напряжения в сочетании с  входным  каскадом предназначен для обеспечения основного усиления сигналов и  обычно также  представляет  собой дифференциальный усилитель  со  схемами согласования  его  симметричного выхода с  несимметричным  входом оконечного (выходного) каскада.

Выходной каскад  ОУ  - это либо эмиттерный повторитель, либо,  что встречается  чаще  в  ИС,  двухтактный  усилитель   с  несимметричным  выходом.  Основная  задача  выходного  каскада  обеспечение необходимой мощности в нагрузке.

Таким  образом, наличие двух симметричных входов  делает этот  усилитель многофункциональным элементом,  так как  указанное обстоятельство  позволяет  осуществить комбинацию различных  цепей обратной связи и  получать  за  счет  этого  схемы   различного функционального назначения.

3. Параметры и характеристики операционных усилителей

Основными  параметрами  ОУ  являются:  коэффициент усиления  по напряжению KU,  равный отношению амплитуды  выходного напряжения к амплитуде дифференциального входного напряжения

KU=  Umвых/Umвх

Величина  КU  известных ОУ колеблется  в пределах  103-5106, у идеальных ОУ считается равным  бесконечности.

Коэффициент  ослабления синфазного сигнала

Косс = Кдс

где: Кс - коэффициент усиления синфазного сигнала.

Величина Косс составляет 60-120дб.

Входное  сопротивление  для  дифференциального  и синфазного  сигнала колеблется в пределах от 0,01 до 1000 мОм.

Входное  напряжение смещения нуля Uсм, мВ  равное напряжению, которое  следует подать на один из  входов  ОУ  или  на специальный  вход ОУ, чтобы Uвых  = 0 (десятые  доли  миливольта).

Частота единичного усиления f0, при которой КU= 1 при малом сигнале (f0 = I - I00 мГц)

Скорость  нарастания  выходного напряжения (В/мкс). Это наибольшая скорость  изменения выходного напряжения ОУ  при  воздействии импульса максимального  входного  напряжения прямоугольной  формы. Эта величина колеблется в пределах 0,1 - 350 В/мкс.

Максимальное   выходное    напряжение    определяется предельным значением  выходного  напряжения  ОУ  при  оговоренном сопротивлении нагрузки  и напряжении входного сигнала. Как правило, на 1 - 5В ниже напряжения питания.

Выходное сопротивление колеблется в пределах от нескольких Ом до нескольких сотен Ом.

Перечисленные параметры позволяют  производить  оценку и  делать обоснованный выбор ОУ.

Важнейшими  характеристиками ОУ  являются  передаточные (амплитудные ) и частотные характеристики.

Амплитудная характеристика - это зависимость  выходного напряжения от напряжения на входе. Так как ОУ имеет два входа,  то амплитудных характеристик две:  одна для  инвертирующего,  другая для неинвертирующего входов.

Характеристики снимают при подаче сигнала  на  один  из входов   при нулевом сигнале на другом.  Каждая из кривых  состоит из  горизонтальных  и  наклонных участков (рис.5).  Горизонтальные участки ( соответствуют режиму полностью открытых (насыщенных) либо закрытых транзисторов  выходного  каскада  ОУ.   При   изменении напряжения входного   сигнала   на   этих   участках    выходное напряжение усилителя остается без изменений.

Наклонному  (линейному) участку  кривых   соответствует пропорциональная   зависимость   выходного   напряжения  от  входного. Угол  наклона  участка  определяется  коэффициентом  усиления  ОУ.   В общем  случае графики амплитудных характеристик не проходят  через нулевую  точку.  Поэтому  для обеспечения равенства нулю выходного напряжения необходимо  на  вход  подать  некоторое   напряжение, называемое напряжением  смещения  нуля  Uсм0.  Во  многих  ОУ  предусмотрены специальные выводы для установки нулевого напряжения на выходе при отсутствии напряжения на входе.

Диапазон  входных   напряжений  в   пределах  линейного участка мал и составляет единицы милливольт.

Расширение диапазона  усиливаемых  напряжений  ОУ достигается введением  ООС,   которая   обязательна   в   схемах устройств, построенных на  базе ОУ.

Частотные характеристики   показывают   зависимости амплитуды и фазы усиливаемого сигнала от частоты.

ОУ  - это многокаскадный усилитель постоянного тока   с непосредственными  связями между каскадами.   На  нижних  частотах, начиная с f = 0, коэффициент усиления не изменяется и разность фаз между   входным   и   выходным  напряжениями  определяется   видом используемого  входа  и  также  остается  постоянной.  На  верхних частотах  из-за влияния паразитных емкостей  начинает  уменьшаться коэффициент усиления (КU) и появляется дополнительный фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами (рис.6).

На   высоких  частотах  КU  ОУ  снижается  по  причине шунтирующего действия  паразитных  емкостей.  Выходное напряжение отстает от  входного  сигнала  и сдвиг по фазе может  стать  равным  1800  и  более (характеристика  показана  для прямого  входа).  Если учесть,  что  выходной сигнал  возвращается по  цепи  обратной связи на инвертирующий вход ОУ,  то  напряжение входного  сигнала  и  обратной связи  оказываются   в   фазе.  Это приводит к неуправляемому росту выходного напряжения,  искажению усиливаемого сигнала и самовозбуждению усилителя. Для  устранения указанного явления принимаются специальные меры:  частотная  коррекция. Путем частотной коррекции  добиваются  того, чтобы  коэффициент усиления ОУ  стал  равным единице раньше,   чем паразитный набег  фазы достигнет 1800.  Запас по  фазе  считается достаточным,  если он равен 600. Частотная коррекция обеспечивается введением в   схему   ОУ   частотнозависимых  цепей.   Элементы корректирующих цепей могут быть и внешними по  отношению  к  ОУ .

Таким образом, операционные усилители характеризуются в основном теми же параметрами и характеристиками, что и обычные усилители, но значения этих параметров сильно отличаются. Кроме этого некоторые параметры являются специфическими и присущи только им.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изученный материал   позволяет    уяснить   принципы построения дифференциальнх   и  операционных   усилителей,    их уникальные свойства, параметры, характеристики, которые и обеспечили их широчайшее применение в аппаратуре военной связи.  Для закрепления  материала рекомендуется по учебнику В.В.Тезикова "Базовые  элементы  интегральных  микросхем"  проработать материал изложенный на стр.89-90.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить по учебнику [Л1] страницы 297-298.

Старший   преподаватель кафедры N9

доцент           п/п              Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент             п/п

Б.Степанов

Занятие 5. Схемы включения операционных усилителей

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить схемы сдвига уровня, выходные каскады операционных усилителей и  схемы включения операционных усилителей.

2.  Прививать методические навыки логического изложения  учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

      №

     п/п

                         Учебные вопросы

  Время

     мин

      1.

      2.

      3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Схемы сдвига уровня.

2. Выходные каскады операционных усилителей.

3. Схемы включения операционных усилителей.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

      5

      80

      20

      20

      40

        5

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Применение операционных усилителей".

2. Плакат "Базовые элементы аналоговых ИС".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.367-371, 383-387.

2. Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники", стр.383-385, 386-393, 468-473.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

На предыдущей  лекции  рассматривались  принципы построения  и  основные характеристики и параметры  ОУ.   В  настоящее время   ОУ получили   наиболее  широкое  распространение   среди аналоговых интегральных  схем.   Это  обусловлено   возможностью реализации  на  их основе самых различных  линейных  и  нелинейных аналоговых и аналого-цифровых  устройств.  Различные   способы преобразования  аналоговых  сигналов   выдвигают   самые разнообразные требования   к   ОУ. Удовлетворить  все  эти требования  в  ОУ  одного  типа практически  невозможно.  По  этой причине  промышленностью выпускаются ОУ многих типов,  каждый из которых удовлетворяет ограниченному числу требований.  Наиболее развитыми  в настоящее время  являются  ОУ  серий 140,  153,  154, 157, 533, 574.

Настоящая лекция посвящена изучению схем сдвига уровня, выходных каскадов операционных усилителей и, главное, схемам включения операционных усилителей

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Схемы сдвига уровня

В многокаскадных усилителях на базу каждого следующего каскада поступает не только полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения  с коллектора предыдущего каскада. Поэтому часто возникает задача устранить постоянную составляющую на входе очередного каскада, но по возможности без изменений передать переменную составляющую – сигнал. Именно такую задачу и решают так называемые схемы сдвига уровня.

Простейшей схемой сдвига уровня является эмиттерный повторитель. У него уровень выходного напряжения ниже уровня входного на величину падения напряжения на эмиттерном переходе (0,7В).

Эмиттерный повторитель лежит в основе других, более сложных схем. Например, если нужно понизить  уровень входного сигнала на величину кратную 0,7В нужно включить в эмиттерную цепь последовательно необходимое количество диодов в прямом направлении. Если требуется сместить уровень на величину не кратную 0,7В, то используется универсальная схема  (рис.1). В общем случае в такой схеме может быть не один, а n последовательно включенных диодов. Соотношение между входным и выходным уровнями имеет вид:  

 U1-U2=(n+1)0,7В+I0R0.

Варьируя значения n, I0, R0 можно обеспечить любой сдвиг уровня.

Коэффициент передачи переменной составляющей в схеме зависит в первую очередь от внутреннего сопротивления источника тока. Как правило, оно лежит в пределах от 100 кОм и выше, а другие сопротивления не превышают 1-2 кОм. Поэтому коэффициент передачи сигнала оказывается весьма близким к единице.

Таким образом,  схемы сдвига уровня позволяют сдвигать уровень сигнала  по постоянному напряжению.

2. Выходные каскады операционных усилителей

Задача выходных каскадов – обеспечить заданную (достаточно большую) мощность в нагрузке и, значит, достаточно большие токи и напряжения. Коэффициент усиления по напряжению для выходных каскадов является второстепенным параметром. На первый план выдвигаются такие параметры, как коэффициент полезного действия  и коэффициент нелинейных искажений.

Коэффициент полезного действия определяется как отношение мощности выходного сигнала к мощности, отбираемой от источника питания.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует отличие формы выходного сигнала от формы входного. Это отличие обусловлено нелинейностью передаточной характеристики каскада. Нелинейные искажения характерны появлением в выходном сигнале новых гармоник, отсутствующих во входном сигнале. Коэффициентом нелинейных искажений называют корень квадратный из отношения суммарной мощности высших гармоник на выходе усилителя к мощности первой гармоники. Допустимое значение данного коэффициента диктуется конкретными требованиями к той или иной аппаратуре.

В зависимости от того, как расположена на передаточной характеристике исходная рабочая точка, различают несколько классов усиления: А, В, АВ и др. Эти классы различаются максимальными значениями к.п.д. и величинами нелинейных искажений.

Класс А характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена в середине линейного участка передаточной характеристики. Нелинейные искажения в этом случае минимальны, но к.п.д. мал (не  более 25%).

Класс В характерен тем, что рабочая точка в режиме покоя расположена на границе линейного участка, которая соответствует запертому состоянию транзистора. Выходное напряжение в этом случае оказывается существенно несинусоидальным, т.е. содержит большое число высших гармоник. Коэффициент нелинейных искажений составляет около 70%. Поэтому в таком простейшем варианте класс В не используется.

Для класса В характерна так называемая двухтактная схема, состоящая из двух усилителей, один из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а другой – отрицательную (рис2). Схема выполнена на комплементарных транзисторах. Нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов. Усиление мощности обусловлено усилением тока.

В режиме покоя оба транзистора заперты, поскольку напряжения на эмиттерных переходах равны нулю. Во время положительной полуволны входного сигнала открыт n-p-n транзистор, ток через нагрузку протекает по штриховой стрелке 1. Во время отрицательной полуволны открыт p-n-p транзистор и ток протекает по штриховой стрелке 2. Таким образом, выходной сигнал двуполярный, как и входной. Коэффициент усиления по мощности близок к отношению эмиттерного и базового токов. К сожалению, такой простой схеме свойственны большие нелинейные искажения. Их причина связана с наличием "пятки" на входной ВАХ кремниевых транзисторов.

Для устранения отмеченного недостатка усилитель несколько усложняют, вводя раздельные смещения на базы транзисторов с помощью схемы сдвига уровня (рис.3). Поскольку параметры n-p-n и p-n-p транзисторов сильно различаются, в качестве транзистора Т2 часто используют составной p-n-p транзистор. Это способствует симметрии выходного сигнала и уменьшению нелинейных искажений. Если нужно строить выходной каскад на однотипных транзисторах, схема выглядит иначе (рис.4). Здесь транзистор Т1 открыт в течение обоих полупериодов. В режиме покоя ток Iк1 и сопротивление Rк выбираются так, чтобы потенциал коллектора Uк1   был   равен   нулю.   При  этом  диод Д и транзистор Т2

заперты; ток в нагрузке отсутствует. Во время положительной полуволны входного сигнала потенциал Uк1 падает, открывается диод Д, и через нагрузку протекает ток по штриховой стрелке 1. Транзистор Т2 остается запертым, так как прямое напряжение на диоде создает на эмиттерном переходе обратное смещение. Во время отрицательной полуволны потенциал Uк1 повышается, отпирается транзистор Т2, и ток через нагрузку протекает по штриховой    стрелке 2. При этом диод заперт, так как прямое напряжение на эмиттерном переходе создает на диоде обратное смещение.

Очевидно, что полуволны напряжения на нагрузке будут одинаковыми только в том случае, если будут одинаковыми коэффициенты усиления положительного и отрицательного входного сигнала. Это достигается при Rк=Rн.

Таким образом, для создания качественных выходных усилителей необходимо обеспечить одинаковое усиление обеих полуволн усиливаемого сигнала.

 3. Схемы включения операционных усилителей

На  основе  ОУ могут быть построены самые разнообразные схемы.   При их  построении необходимо учитывать,  что  ОУ  всегда управляется сигналом,  действующим на его дифференциальных входах, но  входной  сигнал не обязательно должен быть дифференциальным: его  можно подать на один из входов ОУ, заземляя второй. При  этом получают  две  основные  схемы  включения  ОУ  -  инвертирующую  и неинвертирующую.  Рассмотрим основные схемы включения.

А. Инвертирующее включение ОУ

Инвертирующее  включение  ОУ  в  схеме  широкополосного усилителя  (ШПУ)  приведено на рис.5. В  схеме  представлены  лишь основные  элементы, которые рассчитываются при проектировании  ШПУ  на  основе ОУ.  Остальные элементы схемы (корректирующие  и  т.д.) как  правило,  рекомендованы заводом-изготовителем и приводятся  в справочной  литературе  по  ОУ.  Из указанных  на схеме резисторов R2  является  элементом отрицательной обратной  связи,  резистор R1 определяет  входное  сопротивление  ШПУ,  а  совместно  с  R2  и усилительные свойства схемы.

Подаваемый  на  вход сигнал вызывает  появление   между входами   ОУ  напряжения,  которое усиливается ОУ и  поступает  на выход  схемы. Однако анализ и расчет схемы ШПУ на основе ОУ  имеет ряд особенностей.  Прежде всего, при анализе удобно полагать ОУ идеальным,  принимая его основные параметры равными:

Кu = ;     R вх  =   ;   U вх   = 0

Такое  допущение  значительно  упрощает  расчетные соотношения  и   при  реальных  параметрах современных   ОУ   не наносит  существенного ущерба точности.  Идеализация ОУ  позволяет считать, что входы идеального ОУ не потребляют  ток  от   источника сигнала (Rвх  = ),  а напряжение между входами идеального ОУ равно нулю (КU  = Uвых/Uвх  = ).  С  учетом  сказанного можно  считать, что  весь  ток, возбуждаемый источником сигнала протекает через резисторы R1 и R2, т.е. I 1= I2. Поскольку  КU  =, то Uвх  =  0  и  потенциал инвертирующего входа равен  потенциалу  общей  точки.  Следовательно,  резистор   R2 оказывается как бы  подключенным параллельно выходу усилителя и напряжение на этом резисторе равно выходному напряжению, т.е. U2  = I2R2

Коэффициент усиления схемы с учетом I1 = I2   и I1 = U1/R1  определяется соотношением:

Таким  образом,  коэффициент  усиления ШПУ определяется отношением R2/R1 и не зависит от параметров ОУ.

На  основе  схемы  рис.5 можно построить  инвертирующий сумматор, у которого  выходное напряжение  равно  или пропорционально сумме входных напряжений. На рис.6 приведена  схема такого сумматора.

Выходное напряжение инвертирующего сумматора равно:

При  необходимости  придать  АЧХ  ШПУ  на  основе   ОУ требуемую  форму вместо R1  и  R2  включают  частотно  зависимые   цепи   с комплексными сопротивлениями  Z1  и Z2.  В этом  случае  коэффициент усиления  определяется выражением      

Если  взять Z1 = R,  а  в  качестве  Z2  использовать конденсатор (рис.7), то получаем схему интегрирующего усилителя, напряжение на выходе которого пропорционально интегралу от входного.

При  Z2   =  R  и  использовании  в  качестве  Z1   конденсатора с емкостью С получаем схему рис.8, называемую дифференцирующим усилителем.

Следовательно,  напряжение  на выходе пропорционально  производной от входного напряжения.

Б. Неинвертирующее включение ОУ

Схема ШПУ при неинвертирующем включении ОУ приведена на рис.9. Принцип работы схемы аналогичен принципу работы схемы рис.5 с той лишь  разницей, что выходное напряжение изменяется в  фазе  с входным Uвх. Определим параметры схемы рис.9.

Напряжение обратной связи снимается с резистора R1 и равно  

Так как в идеальном ОУ Uвх = 0,  то Uос = U1, следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы равен

Также  как и в схеме рис.5 коэффициент усиления ШПУ рис.9  не зависит  от параметров ОУ, а определяется в основном соотношением R2/R1.

В некоторых применениях ОУ требуется согласовать высокое внутреннее сопротивление  источника  сигнала  с низким сопротивлением  нагрузки.  Для этой цели используется  повторитель напряжения рис.10 (схема получается из схемы рис.9, если  R1 ,  а R2 = 0 ).

Очевидно, что U1=U2.

Компаратором  называют   устройство,  в   котором происходит сравнение 2-х напряжений - входного и опорного (рис.11а).

Если  использовать ОУ без обратной связи  (Ко=), заземлить его  инверсный  вход,  а  на прямой подать, например, гармоническое напряжение, то при прохождении его через нуль напряжение на выходе ОУ  будет скачком  изменяться  от - Е до + Е и наоборот  (рис.11б).   Переход Uвых  из  одного состояния в другое показывает, когда  и  в  каком направлении Uвх пересекает опорный уровень напряжения.

Если  на инверсный вход ОУ подать не нулевое, а  другое фиксированное напряжение,  то  изменится  уровень  опорного напряжения  и  на  выходе ОУ скачок будет происходить  при  других значениях  входного  напряжения на прямом входе.

Таким образом, операционные усилители выполняют самые разные функции обработки электрического сигнала, среди которых мы рассмотрели самые простые.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рассмотренные  на   лекции  вопросы  имеют  важное прикладное значение при изучении аппаратуры связи, функциональные узлы которой строятся на основе ОУ. Так в ходе изучения дисциплины “Вычислительная техника и информационные технологии” будут изучаться аналогово-цифровые преобразователи, которые являются разновидностью инвертирующих сумматоров.

Задание на самостоятельную подготовку

1.  Изучить  материал по учебнику [Л1] страницы  295-296.

2.  Подготовиться к лабораторной работе по исследованию операционных усилителей.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент                  п/п            Г.Подлеский

Рецензент:

доцент            п/п

Б.Степанов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29522. Организационная культура. Компоненты и уровни организационной культуры 83 KB
  Моргунов В этой теме вы узнаете: Об организационной культуре; О компонентах и уровнях организационной культуры; О характеристиках поведения руководителей; Все организации независимо от формы собственности и целей деятельности создаются и живут в определенной среде носящей название культура. Общеупотребимого определения культуры нет хотя интуитивно ясно что это такое. В дополнение к нормам принятым в обществе каждая группа людей в том числе и организация вырабатывает собственные культурные образцы которые получили название...
29523. Коммуникативное поведение в организации 49 KB
  Моргунов В этой теме вы узнаете: Об общении и функциях общения в организации; О возможностях понимания человека человеком; Об эффектах межличностного восприятия; О половых различиях в общении. Источники информации в общении сигналы непосредственно от другого человека сигналы от собственных сенсорноперцептивных систем информация о внешних по отношению к общению условиях информация об итогах деятельности информация от внутреннего опыта информация о вероятном будущем. Теория транзакций Эрик Берн 1902 1970 развивал...
29524. ПОВЕДЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИИ 68.5 KB
  Школа научного управления 1885 – 1920. Школа научного управления наиболее тесно связана с именами Фредерик Уинслоу Тейлор Фрэнк Банкер Гилбрет с женой Лилиан Генри Лоуренс Гантт.Тейлором 1856 – 1915 который возглавил движение научного управления. Он интересовался эффективностью деятельности не отдельного человека а организации что и положило начало развитию школы научного управления.
29525. Активация, утомление и другие состояния работника 101.5 KB
  Так например для состояния утомления характерны совершенно определенные сдвиги в деятельности сердечнососудистой системы. По мере развития утомления в первую очередь наблюдается снижение силы сердечных сокращений. Поэтому диагностически значимыми для состояния утомления являются не сами по себе симптомы увеличенной частоты сердечных сокращений повышенного артериального давления и изменения минутного объема крови в их непосредственном количественном выражении а направление и величина сдвигов этих показателей и соотношений между ними....
29526. Группа: как управлять коллективом 60.5 KB
  Фрезер в 1978м году предложил список 6ти основных характеристик группы: взаимодействие членов восприятие группы как чегото реального наличие групповых целей формирование норм взаимодействия в группе синергетический эффект от взаимодействия в группе эмоциональные отношения между членами группы относительная закрепленность ролей. Психологической группой можно назвать некоторое число людей которые: взаимодействуют друг с другом знают друг друга воспринимают себя членами одной группы. Свойства группы: размер...
29527. ГРУППА И ГРУППОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ В ОРГАНИЗАЦИИ 68 KB
  Основные характеристики группы. Реальные группы – это объединения людей в которых имеет место единство деятельности условий обстоятельств признаков. Группы бывают большими и малыми контактными в которых имеется возможность непосредственных контактов каждого с каждым.
29528. Лидерство в организации 65.5 KB
  Он нашел свою концептуализацию в рамках проектного менеджмента и привел к признанию проектной команды в качестве центральной ячейки современной организации. Второй подход более сконцентрирован на принципах проектирования команды и распределения в ней ролей. Его можно назвать проектированием команды и распределением ролей в ней tem design nd role distribution. Определение команды В социальной психологии весьма популярными являются исследования малых групп.
29529. Дифференциал функции. Приложения производной 389 KB
  Дифференциал функции записывается в виде . Дифференциалом 2ого порядка функции называется дифференциал от её первого дифференциала и обозначается т. Если независимая переменная то для нахождения дифференциала функции справедлива формула .
29530. Теоремы о дифференцируемых функциях. Формула Тейлора 300.5 KB
  Если функция непрерывна на отрезке дифференцируема на интервале и то на существует точка такая что . Если функция непрерывна на отрезке и дифференцируема на интервале то на существует точка такая что формула Лагранжа. Если функции и непрерывны на отрезке дифференцируемы на интервале и при всех то на интервале существует точка такая что формула Коши.150 Проверить выполняется ли теорема Ролля для следующих функций и если выполняется то для каких значений : а на отрезке ; б на отрезке ;...