Гл2_06 (Старые лекции), страница 6

2.19,а) является сравнительно малое значение тока, который способен выдать ОУ. Хотя 20 мА может выдать большинство операционных усилителей, а если нужно амперы?Такая схема представлена на рис. 2.19,б). Здесь выходной ток определяется ужеподключенным к выходу ОУ биполярным транзистором. Транзистор также охвачен отрицательной обрат+Uн+Uн ной связью и форR1мирует эмиттерRнIнный ток, опредеUуUуVT1ляемый приведенным ранее выражением. Хорошо,RнUуIнскажете Вы, эмитIнR1RнR1терный ток мА опа)б)в)ределили, но в нагрузке то ток колРис.

2.19.лектора. Ток эмиттера отличается от коллекторного тока на ток базы и при коэффициенте усиления по токуболее 100 (β>100) отличие не превышает 1%. Если такая точность не устраивает, примените, вместо VT1, полевой МОП-транзистор n-типа и проблема будет снята.На рис. 2.19,в) показан ОУ в качестве источника тока, обеспечивающий ток в заземленной нагрузке, т.е. подключенной не к напряжению нагрузки UH, а к земле (нулевому напряжению). Для усиления тока применен р-МОП транзистор, как рекомендовалосьранее. Правда в этой схеме управляющее напряжение следует формировать относительнонапряжения питания, что не всегда удобно. Есть множество выходов и из этой ситуации,например, сделаем схему двухкаскадной, сначала 2.19,б), потом 2.19,в).

Причем, VT1 заменим на n-МОП.4. Дифференциаторы и интеграторы. Если собрать ОУ по схеме рис. 2.20, он будет дифференциировать входной сигнал. Ток, протекающий через емкость в схеме равен:dUUI C = C i ВХ = − ВЫХ , отсюда, выходной сигнал:RdtRdU ВХ.U ВЫХ = − RC idtUвх CUвыхНаша схема дифференцирует выходной сигнал. Есликонденсатор и резистор поменять местами, схема будет интегрировать (рис.2.21).

Докажите это сами. Формула обработкисигнала интегратором:Рис. 2.20.t1CU ВЫХ = −U ВХ dt + C.RC ∫0Здесь С- постоянная интегрирования. Для начала процесса инUвх RUвых тегрирования параллельно конденсатору С включают ключ. Если он замкнут, конденсатор шунтирован и интегрирования нет.Как только ключ размыкается, начинается интегрирование.Дифференциаторы трудно выполнить для обработки выРис. 2.21.сокочастотных сигналов.

Проблемы с неидеальностью ОУ возРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru74никают из-за ограничения скорости нарастания выходного сигнала и неустойчивостью работы на высоких частотах.Интеграторы, наоборот, трудно выполнить для обработки низкочастотных сигналов или на большое время интегрирования.

Кстати, размерность произведения RC - секунда, докажите это. Реально, схемы хорошо работают при постоянной времени интегрирования не более единиц секунд. Если произведение RC больше, входной сигнал сильноослаблен и на выход существенное влияние оказывает напряжение смещения входа, интегрирование этой величины приводит к постоянному росту выходного сигнала и насыщению ОУ.

Если необходимо длительное время интегрировать постоянный выходнойсигнал, используют цифровую или цифроаналоговую обработку. Как только выход достигает некоторого значения, добавляют в счетчик «тиков» единицу, интегратор обнуляют иначинают следующий цикл отсчета «тика». Так, например, работают расходомеры, выходной сигнал которого представляет из себя литровые импульсы, а внутри стоит схема,которую мы только что обсудили.Дифференциаторы и интеграторы используют в САУ в качестве цепей коррекцииобратной связи в аналоговых контурах автоматического регулирования.

Хотя такие контуры применяются все реже и вытесняются цифровыми, на основе микроконтроллеров.Применяют такие схемы и при обработке сигналов датчиков, когда, например, по значению скорости нужно получить ускорение или перемещение.5. Сумматоры построены по схеме рис. 2.22.R1Числовходных сигналов Ui может быть любым. ВыходU1ной сигнал схемы равен:RoU2 R2RoU ВЫХ = − ∑Ui . Схема будет прекрасно работать, еслиRiR3U3Uвых отношения сопротивлений Ro и Ri не превышают ста ивыходное напряжение способно отобразить результат,т.е. не произошло переполнение.6. Компаратор сравнивает величины двух сигнаРис. 2.22.лов и строится по схеме рис.

2.23,а). Собственно и схемыто нет никакой. Выходной сигнал компаратора равен:U1U ВЫХ = U ВЫХ .MIN приU 1 > U 2;UвыхU2U ВЫХ = U ВЫХ .MAX приU 1 < U 2.Здесь UВЫХ.MIN, UВЫХ.MAX – минимальное и максимальa)ное значение выходного сигнала ОУ.U1Для получения гистерезиса при переключении вводятUвых положительную обратную связь, как показано на рис.U2 R12.23,б). В этом случае гистерезис переключения равен:RoR1R1Δ1 =U ВЫХ .MAX ; Δ 2 =U ВЫХ .MIN .б)RoRoРис.

2.23.7. Дифференциальный усилитель вычитает два сигнаRoла и усиливает из разность. Дифференциальные усилиR1тели широко используются для формирования сигналовU+Uвых различных датчиков, они необходимы для усилениявыходного сигнала классического измерительного мосU- R1та(мост Уитсона). Схема представлена на рис. 2.24. ЗаRoвисимость выходного сигнала от разности входных,б)рассчитанная исходя из правил идеального ОУ имеетРис. 2.24.вид (умейте вывести сами):Ro(U + − U − ).U ВЫХ =R1Рябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru75Схема требует точного согласования пар резисторов, подключенных к прямому и инверсному входу ОУ, иначе точного вычитания не получится и будет усиливаться постояннаясоставляющая. Кроме того, входное сопротивление схемы может быть невелико и онаможет отбирать от измерительного моста заметный ток, искажая сигнал.

Далее мы познакомимся с лучшей схемой классического дифференциального усилителя, называемого инструментальным усилителем (см. рис. 2.26).Мы рассмотрели здесь наиболее распространенные элементарные схемы без детального анализа их работы. Для желающих познакомиться с применением ОУ более детально, рекомендую прочитать [2].В.

Технологии производства ОУ и отличия реальных схем от идеальных.Выше были перечислены основные требования к идеальному ОУ. Коротко повторим их: бесконечно большой коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, нулевой входной ток, отсутствие смещения нуля и его температурного дрейфа, нулевое выходное сопротивление и мгновенный отклик на изменение входного напряжения.Прежде всего, отметим, что не все идеальное хорошо на практике, точнее, все идеальное хорошо в меру. При нулевом выходном сопротивлении достаточно на мгновениезакоротить нагрузку и ОУ выйдет из строя. Мгновенный отклик на изменение входногонапряжения на практике доставляет немало хлопот из-за возбуждения схем на высокихчастотах.

Пожалуй, наиболее существенными качествами, на достижение которых затрачено много усилий и которые во многом определили прогресс схемотехнических решенийи технологий производства ОУ являются минимальный входной ток и отсутствиесмещения и температурного дрейфа нуля. Из чисто практических требований добавимсюда не критичность и наибольшее использование напряжения питания и минимальное внутреннее потребление. Хотелось бы, чтобы ОУ работал в широком диапазонепитающих напряжений и был способен работать как при двух, так и униполярном питающем напряжении. Чтобы входные и выходной сигналы охватывали весь диапазон питающего напряжения.Минимизация входных токов. Первые ОУ были сделаны на биполярных транзисторах.

Эти транзисторы обладают заметным током базы. Все усилия разработчиков былинаправлены на его уменьшение. Появились ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах. Сначала это были полевые транзисторы с затвором на p-n переходах. С развитиемМОП технологий появились ОУ, полностью выполненные на полевых транзисторах.Входные токи стали наноамперными. На одном кристалле стали размещать до четырех иболее каскадов ОУ, это же относится и к биполярным технологиям.

МОП ОУ, как правило, не критичны к питанию, полностью используют его размах по входу и выходу (т.н.rail-to-rail усилители, т.е. усилители, выходной сигнал которых не дотягивает до напряжений питания в пределах ста милливольт и меньше).Минимизация смещения и температурного дрейфа. МОП транзисторы, к сожалению, технологически воспроизводятся хуже биполярных и усилители по МОП технологии, при всех их плюсах, вытеснить биполярные не смогли. Супербетта-транзисторы помогли биполярным ОУ сделать входные токи менее микроампера, подтянули их к rail-torail.

В ответ появились МОП усилители с автоматической компенсацией смещения нуля и температурного дрейфа. На рис. 2.25показана схема измерения напряжения смещения ОУ. Он перевоUсмдится в режим повторителя с единичным усилением, на прямойU=0вход подается нулевое напряжение. Тогда на выходе появляетсянапряжение смещения нуля.Идея автоматической компенсации в том, что вход усилиРис. 2.25.теля на некоторое время обнуляется, коэффициент усиления делается единичным и к выходу подсоединяется и заряжается до напряжения смещения эталонный конденсатор. Затем он в соответствующей полярности подключается ко входу иРябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru76состояние ОУ восстанавливается. Дрейф и смещение оказываются скомпенсированными.Такая операция регулярно проводится автоматически. Хорошо, но не всегда допустимо.И, с точки зрения стабильности смещения и температурного дрейфа биполярные ОУ покалучше, к тому же у них нет такого врага, как статическое электричество. Биполярные ОУдопускают более вольное обращение при монтаже и пайке на плату.Внутреннее потребление ОУ во многом определяется требуемыми частотнымисвойствами.

Для его минимизации в обоих технологиях появились так называемые программируемые ОУ, ток питания которых можно определить и ограничить внешними цепями исходя из требуемых свойств.На рис. 2.26 показана схема инструментального усилителя. Мы упоминали о нейпри рассмотрении дифференциального усилителя. Теперь рассмотрим схему подробнее.Прежде всего, отметим, что все преимуществасхемы в полной мере могут быть реализованы,U+R3R4если хотя бы два первых ОУ выполнены на одDA1ном кристалле. Схема настолько удачна, чтовыпускаетсясейчас многими производителями вR2интегральном исполнении, в этом случае онаUвых действительно проявляет свои наилучшие свойR1 R2DA3ства, поскольку параметры всех компонентовсогласованы должным образом. Входные сигнаR3R4лы U+ и U- усиливаются в первом каскаде усилиDA2Uтеля. При этом, естественно, усиливается напряжение смещения и температурный дрейф.Рис. 2.26.Два резистора R2 должны быть идентичны.