ГОТОВАЯ ШПОРА 1 (Шпоры по Созинову), страница 5

Оп.Ус. имеет дифф-ный вход и не­симметричный выход. Вх. и вых. сигналы отсчиты­ваются относительно общего провода.

Оп.Ус используется: для работы с глубокой ООС (отрицательной обратной связью) в аналоговых ЭВМ для разно­образных математических операций (сложение, вычи­тание, умножение, деление, логарифмирование, дифф-вание, интегрирова­ние и т.д.) -  "операционный усилитель".

Оп.Ус - основным активным элементом аналоговой схемотехники, благодаря  эл-ских пар-ов с  габаритами,  надеж­ностью и  ценой.

Оп.Ус содержат 2 или 3 каскада усиления.

Первый каскад (ДУ) собран по схеме Дифф.Ус.  подавление син­фазных помех и  дрейфа нуля.

Входной каскад содержит цепи балансировки усилителя для устранения смещения нуля.

Второй каскад (УН) – осн. усиление по U (Дифф.Ус. с несимметричным вы­ходом).

Усилитель мощности (УМ) содержит схему сдвига уровня U и вых. каскад по двухтактной бестрансформаторной схеме.

Недостаток трехкаскадного Оп.Ус - склонность к самовозбуждению и  скорость нарастания вых. сигнала.

Новые Оп.Ус. на двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель U-ия).

Для  коэфф-та усил-ия во вх. каскаде исп-ся динам-кая нагрузка в виде токового зеркала, а в вы­ходном - каскад сдвига уровня U-ия, где VT вкл. по схеме с общим “Э”.

Р ассмотрим передаточную характеристику Оп.Ус. - зависимость U_ВЫХ от U_ВХ при несимметричном входе.

В зависимости от того, какой вход соединяется с общим прово­дом, а на какой вход подается U_ВХ, различают пере­даточную характеристику при инвертирующем включении Оп.Ус-я. и пере­даточную характеристику при неинвертирующем включении Оп.Ус-я.

При  U_BX переда­точные характеристики линейны, затем  U_BЫX замедляется, а потом и вовсе = 0.

U_ВЫХ.MAX > 0 (“+”) и U_ВЫХ.MAX < 0 (“”) несколько < U_ПИТ (E1, и E2).

+U_ВЫХ.MAX и – U_ВЫХ.MAX зависят от R_Н :  R_Н   эти U-ия.

Пере­даточные характеристики проходят через начало координат, если Оп.Ус. сбалансирован.

Если балансировка не проводилась  передаточные характеристики будут пересекаться при U_ВЫХ = 0.

Основные параметры Оп.Ус.:

 К_U (определяется наклоном лин. участка переда­точной хар-ки = от­ношению приращения U_ВЫХ к вызвавшему это при­ращение U_ВХ. На практике К_U  (110 тысяч ; 110 мил­лионов);

 U смещения (U_CMЕЩ) - необходимо подать на вход Оп.Ус., чтобы его U_ВЫХ стало = 0. На практике U_СМЕЩ  (нескольких мкрВ ; десятки млВ);

 U_{ВЫХ.МАКС} - различают: +U_{ВЫХ.МАКС} и –U_{ВЫХ.МАКС} (+U_ВЫХ  –U_ВЫХ).

+ U_{ВЫХ.МАКС} и – U_{ВЫХ.МАКС} нормируются при зн-ниях U_ПИТ, R_Н и U_ВХ;

 K_ОС.СФ (коэффициент ослабления синфазного сигнала) = отношение К_УС дифф-ного сигнала к К_{ПЕРЕДАЧИ} синфазного сигнала. Выражается в децибелах;

 I_ВХ - для дифф-ного Оп.Ус. – ср. арифм-кое зн-ние токов ин­вертирующего (I_ВХ.И) и неинвертирующего входов (I_ВХ.Н);

 разность вх. токов ∆I_ВХ = I_ВН.Н – I_ВХ.И;

 I_{ВЫХ.МАКС} – при оговоренном U_ВЫХ, не вызы­вающее необратимых изменений в Оп.Ус.;

 U_{ВХ.МАКС} - не вызывающее необратимых измене­ний в Оп.Ус.;

 предельное синфазное U_ВХ. (U_{ВХ.СФ.МАКС}) – не вызы­вающее необратимых изменений в в Оп.Ус.;

 частота единичного усиления (f₁) - К_УС  до 1. Характеризует быстродейст­вие Оп.Ус-я в режиме малого сигнала;

 скорость  U_ВЫХ. (V_{Uвых.макс}) – от­ношение изменения U_ВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие Оп.Ус-я в режиме большого сигнала. Измеряется при ООС с общим К_U = 110.

При анализе схем реальный Оп.Ус. заменяют их идеал-ыми моделями, в частности, идеальным Оп.Ус-ем, отве­чающий след. требованиям:

• K_U = ∞;

• R_ВХ = ∞;

• R_ВЫХ = 0;

• U_СМ = 0;

• K_ОС.СФ = ∞;

• I_ВХ = 0;

• K_U не зависит от f-ы, т.е. полоса пропускания от 0 до ∞;

• времена задержки, нарастания и спада = 0;

• U_ВХ неограничен;

• U_ВЫХ неограничен;

• I_ВЫХ неограничен;

• нелинейные искажения отсутствуют;

• внутри Ус. нет источников шума.

51. Лин. схемы на операц. усилителях: инвертирующий усилитель, сумматор, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, дифференциальный усилитель.

Рассмотрим инвертирующий усилитель (рис. 1). В этой схеме имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряже­нию. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Полагая опера­ционный усилитель идеаль­ным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой потенциал, то и инвертирующий вход также будет иметь нуле­вой потенциал, хотя он и не заземлен. Говорят, что инвертирующий вход является точкой вирту­ального (кажущегося) нуля. Тогда

Отсюда находим

Мы полагали, что вх. токи операц. усилителя = 0. В реал. операц. Ус. вх. токи малы, но  0. Оценим влияние вх. токов на работу Ус. Пусть u_ВХ = 0. Для вх. тока операц. Ус. I_ВХ.И и рези­сторы R₁ и R₂ включены параллельно. Ток I_ВХ.И создаст на них паде­ние U-ия

U_ВХ.И = I_ВХ.И(R₁ || R₂).

Это напряжение будет усилено операционным усилителем, т.е. входной ток I_ВХ.И приводит к разбалансировке операционного усили­теля. Чтобы уменьшить влияние входных токов в цепь неинверти­рующего входа включают компенсирующий резистор R_К = R₁ || R₂ (рис. 2). Тогда ток I_ВХ.И создаст на резисторе R_K падение напряжения U_ВХ.Н = I_ВХ.НR_К.

Дифф-ное U на входе операционного усилителя

U_ВХ = U_ВХ.Н  U_ВХ.И =

= (I_ВХ.Н  I_ВХ.И)  (R₁||R₂) = I_ВХ(R₁||R₂)

Е сли разность входных то­ков ∆I_ВХ = 0, то Uвх = 0, т. е. в схеме будет иметь место полная компенсация входных токов.

Реально ∆I_ВХ = (0,1 ÷ 0,2)I_ВХ  введение R_K  разбалансировку в 5÷10 раз.

На основе инвертирующего вкл. операц-ого Ус. м.б. построен аналоговый сумматор (рис. 3). Найдем зависимость

u_ВЫХ аналогового сумматора от u_ВХ1, u_ВХ2, u_ВХ3, пола­гая операц. Ус.  идеальный.

Со­гласно первому закону Кирхгофа

i_ВХ1 + i_ВХ2 + i_ВХ3 + i_ОС = 0

Принимая во внимание, что инвертирующий вход операц. усилителя является точкой виртуального нуля:

Отсюда

Е сли R₁ = R₂ = R₃ = R, то

Из последних соотношений следует, что схема рис. 3 выполняет математическую операцию суммирования, при этом масштабный ко­эффициент может быть единичным, может быть неединичным и мо­жет быть индивидуальным по каждому из входов.

Сопротивление компенсирующего резистора в схеме рис. 3 может быть определено из соотношения R_K = R₁||R₂||R₃||R₄. Очевидно, что аналоговый сумматор может иметь произвольное количество входов.

Инвертирующее вкл. операц. Ус. использу­ется также в преобразователе ток - U (рис. 4). Найдем зависимость U_ВЫХ от I_ВХ.

На основании первого закона Кирхгофа при условии, что опера­ционный усилитель идеальный, запишем: i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя яв­ляется точкой виртуального нуля, то

i_ВХ + (u_ВЫХ / R) = 0

Разрешив последнее уравнение относительно u_ВЫХ, получим u_ВЫХ =  Ri_ВХ

 u_ВЫХ преобразователя про­порционально i_ВХ. Сопротивление компенсирующего резистора R_K должно равняться сопротивлению резистора R в цепи обратной связи (рис. 4). Рассмотренный преобразователь ток-напряжение широко используется в составе цифро-аналоговых преоб­разователей.

Н а основе инвертирующего включения операц. усилителя может быть построен преобразователь напряжение - ток (рис. 5). Найдем зависимость выходного тока преобразователя i_ВЫХ от входного напряжения u_ВЫХ.

Согласно первому закону Кирхгофа, полагая операц.усилитель идеальным, можно за­писать:

i_ВХ + i_ОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то

i_ВЫХ + (u_ВХ / R) = 0

i_ВЫХ =  u_ВХ / R

Из последнего соотношения находим: т.е. i_ВЫХ пропорционален u_ВХ.

В схеме рис. 5 ни один из выводов нагрузки R_H не заземлен. В этом случае говорят, что преобразователь имеет незаземленную на­грузку. R компенсирующего резистора R_K = R || R_H.

Рассмотрим неинвертирующий Ус. (рис.6).

В этой схеме имеет место последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление и уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Найдем К_U. Если на неинвертирующий вход подано u_ВХ.Н = u_ВХ  на инвер­тирующем входе установится то же самое U: u_ВХ.И = u_ВХ, т.е.

u_ВЫХR₁/(R₁ + R₂) = u_ВХ 

Е сли R2 = 0, а R1 = ∞, то K_U = 1. Такую схему называют повторителем напряжения (рис.7).

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим син­фазным напряжением (u_ВХ.СФ = u_ВХ).

Рассмотрим дифференциальное включение операционного усилителя, которое представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего включений (рис. 8).

При дифф-­ном вкл. операц. Ус. U_ВЫХ пропорц-но разности u_ВХ2 и u_ВХ1 на его входах.

И спользуя метод суперпозиции (наложения), находим выходное напряжение усилителя как сумму откликов на воздействия u_ВХ1 и u_ВХ2:

 опера­ц. усилитель в дифф-ом вкл.  математиче­ская операция вычитания.

R₁ = R₂ = R₃ = R₄  U_ВЫХ = -(U_ВХ1 – U_ВХ2)

R₃ = R₁, R₄ = R₂  U_ВЫХ = -(R₂/R₁)(U_ВХ1 – U_ВХ2)

R_ВХ по инвертирующему входу r_ВХ1 = R₁.

R_ВХ по неинвертирующему входу r_ВХ2 = R₃ + R₄, т.е. r_ВХ2 > r_ВХ1 (≠).