L_10 (Конспекты лекций)

Лекция № 10.ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИПлан1. Введение.2. Операционные усилители (ОУ)3. Реализация функциональных линейных узлов на основе ОУ.4. Теоретическое обобщение по теме.1. Введение.ОУ, как и обычный усилитель, предназначен для усиления напряженияили мощности сигнала. Однако свойства и параметры обычного усилителяопределяются его схемой, а свойства и параметры ОУ определяются, взначительной мере, параметрами цепи обратной связи. Благодаря своейуниверсальности ОУ в настоящее время стал самым распространённымэлементом аналоговой и цифровой схемотехники.ОУвыполняются по схеме усилителей постоянного тока,характеризуются большим коэффициентом усиления, высоким входным инизким выходным сопротивлениями.Первые ОУ использовались в аналоговых вычислительных устройствахдля выполнения математических операций (суммирование и вычитание)Поэтому их так и назвали ─ ОУ.

Область применения современных ОУнастолько расширилась, что им явно пора менять название.Современные ОУ имеют практически идеальные параметры ихарактеристики, поэтому они успешно потеснили из линейной схемотехникиотдельные транзисторы.Что нужно знать, чтобы определить, какой тип ОУ подходит дляконкретного случая его использования?Во первых ─ знание его основных характеристик.Во вторых, в некоторых особых случаях, ─ знание их внутреннейструктуры.Условное схемное изображение ОУ+_Входыв)EВыход+_1EU_а) По старому ГОСТуВходыUвх2U+E3EE+E-NC456 UвыхNC7FCFC8ВыходОУ с подключением питания,цепей частотной коррекции (4; 5),установки нуля (6; 7)в)б)По новому ГОСТуРис.10.1.Инвертирующий вход ОУ по старому ГОСТу обозначается значком«минус», по новому ─ «пузырьком».

Сигнал, поданный на инвертирующийвход, на выходе имеет фазу, противоположную входному.Неинвертирующий вход ОУ по старому ГОСТу обозначается значком«плюс».Современные ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем.Как правило, ОУ содержит 2…3 усилителя. Первый каскад ОУвыполняется по схеме дифференциального усилителя (ДУ см. в лекции № 9)ДУ в операционном усилителе обеспечивает большое входное сопротивлениеи ослабление синфазного сигнала. Второй каскад ─ усилитель напряжения,работающий в режимы кл «А» или «АВ».

Третий каскад ─ усилительмощности (режимы кл. «АВ», или «В»)Чаще всего для питания ОУ используются стандартные напряжения: или± 15 В, или ± 12 В.2. Операционные усилители (ОУ)Uc1Uc2Uв хПромежуточныйкаскадДУОконечныйкаскадUв ыхРис.10.1а. Структурная схема ОУДУ – обеспечивает высокое входное сопротивление и высокийкоэффициент усиления по напряжению в широком диапазоне частот (вплотьдо 0 – постоянное напряжение).Промежуточный усилитель (ПУ) – обеспечивает дополнительноеусиление напряжения после ДУ, а также, обеспечивает необходимоесогласование симметричных входов ДУ и несимметричных входовоконечного каскада усиления.

Этот каскад часто строится также по схемеДУ.Оконечный каскад усиления – обеспечивает необходимое дляпотребителя усиление по мощности.Все ОУ работают с ООС: ООС позволяет получить от ОУнеобходимые характеристики.2.1. Технические характеристики ОУ2.1.1. Дифференциальный коэффициент усиления ОУ ─ этокоэффициент усиления ОУ по напряжению при отсутствии обратной связи.Иначе этот параметр называется собственным коэффициентом усиления ОУ;его величина лежит в пределах от 104 до 106.В UвыхUмакaUвх =U+ - U-bU0UминмкВРис.10.2На рис.10.2 приведена типовая зависимость выходного напряжения ОУот входного (Uвх =U+ - U-) в режиме дифференциального сигнала, когда навходы ОУ поступают два напряжения, одинаковые по величине, нопротивоположные по фазе.В диапазоне от минимального значения выходного напряжения ОУ домаксимального передаточная характеристика имеет почти линейныйхарактер.

Этот диапазон выходного напряжения (ab) называется областьюусиления; при работе ОУ с напряжением питания от ± 15 В типовой диапазонобласти усиления по выходному напряжению составляет ± 12 В. По обестороны этого диапазона ОУ переходит в режим насыщения, при этомискажается форма выходного напряжения, так как происходит егоограничение.2.1.2. Напряжение смещения нуля.На рис.10.2 приведена передаточная характеристика идеального ОУ.Для реального ОУ эта характеристика несколько сдвигается (пунктирнаялиния)Чтобы устранить дрейф нуля на выходе ОУ, на вход ОУ необходимоподать некоторую разность напряжений, которая была названа напряжениемсмещения нуля (U0) Напряжение смещения нуля обычно составляетнесколько милливольт и, во многих случаях, это напряжение может неприниматься во внимание, но если этой величиной пренебречь нельзя, топринимают специальные меры для того, чтобы свести это напряжение донуля (на многих интегральных схемах ОУ для этого имеются специальныеклеммы)Следовательно, если напряжение смещения нуля скомпенсировано, томожно считать: U вых = К диф (U вх 1 −U вх 2), и, таким образом, в пределахдинамического диапазона выходное напряжение ОУ пропорциональноразности входных напряжений.2.1.3.

Коэффициент усиления синфазного сигнала «Ксинф».В режиме синфазного сигнала на входы ОУ поступают два одинаковыхпо величине и совпадающие по фазе сигналы. В идеальных ОУ коэффициентусиления синфазного сигнала Ксинф = 0, а в реальных ОУ он отличается отнуля.Ксинф=∆U∆Uвыхсинф2.1.4. Коэффициент ослабления синфазного сигнала «Косл.синф» ( еготиповые значения составляют от 104 до 105)(Подробная информация по данному параметру см.

в лекции № 9)Коэффициент ослабления синфазного сигналахарактеризуетнеидеальность ОУ, то есть, этот параметр показывает, какое значениедифференциального входного напряжения следует приложить к входуусилителя, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала на выходеусилителя.Косл .синф=ККдиф .синф .=−∆Uсинф∆Uдифпри U вых = const−∆Uсинф∆UдифКоэффициент усиления дифференциального сигнала по определениювсегда положителен.

А вот коэффициент ослабления синфазного сигналаможет принимать и положительные и отрицательные значения (в справочныхданных обычно приводятся абсолютные значения Косл.синф)Одним из способов увеличения ослабления синфазного сигнала состоитв использовании ООС по синфазному сигналу. С помощью классическойсхемы первого каскада ОУ ─ дифференциального усилителя ─ можнодобиться ослабления синфазного сигнала до уровня порядка 60 db. При этомослабления дифференциального сигнала в схеме ДУ не происходит.2.1.5.

Выходное сопротивление ОУ.Малое выходное сопротивление ОУ получают за счёт включения на еговыходе каскада с малым внутренним сопротивлением. Между нимивключают усилительные каскады, позволяющие получить достаточнобольшой коэффициент усиления ОУ. При этом нельзя забывать о требованиик полосе пропускания, которая должна быть достаточно широкой.Выходные каскады содержат обычно элементы защиты от перегрузок, откороткого замыкания (КЗ)2.1.6.

Входное сопротивление ОУ.Входное сопротивление ОУ определяется первым каскадом ─ ДУ.Наиболеепростойметод,позволяющийповыситьвходноесопротивления ОУ, состоит во введении в ДУ последовательной ООС, но приэтом уменьшается коэффициент усиления Кдиф, поэтому такой методиспользуется редко.Болеераспространеннымиметодамиповышениявходногосопротивления являются:а) введение дополнительных эмиттерных повторителей;б) использование составных транзисторов (β ≈ β1 β2 – при 2-х VT);в) использование полевых транзисторов.3. Реализация функциональных линейных узлов на основе ОУ.3.1. Инвертирующий усилитель (рис.10.3)На инвертирующий вход через резистор R1 от внешнего генератора подаётсясигнал Uс.

Резистор R1 играет роль сопротивления источника сигнала. НапряжениеОС подаётся на вход ОУ через резистор R2 (R2 = Rос).Прямой (неинвертирующий) вход заземлён. Инвертирующий вход имеетбольшое входное сопротивление, поэтому потенциал этого входа можно такжесчитать равным нулю, то есть состояние инвертирующего входа можно назвать«мнимым заземлением». При таких условиях падение напряжения на R1 будетравно Uc, а падение напряжения на R2 = ─Uвых .

Через входную цепь усилителя токне проходит (входное сопротивление идеального усилителя равно бесконечности),поэтому I1 = I2.R2UсI2R1I1UвхРис.10.3При таких условиях:ВыходI =1U− 0 0 −Uсвых=RR12Кус=, а потому:URвых = − 2 .URвх1Таким образом, коэффициент усиления ОУ не зависит от схемногорешения ОУ, а лишь зависит от соотношения элементов ОС и для ихрасчёта необязательно точно знать параметры ОУ. Знак минус в формулеозначает, что фаза напряжения на выходе противоположна фазе входногонапряжения.Максимальный коэффициент усиления зависит от предельнодопустимого значения сопротивления R2, которое определяется из условиялинейности режима ОУ (|Uвых| < Е)3.2. Неинвертирующий усилитель (рис.10.4)R2R1ВыходUcРис.10.4Входной сигнал поступает на прямой (неинвертирующий) вход, анапряжение ОС ─ на инвертирующий вход.

Напряжение ОС снимается сделителя из R1 и R2:Uос= U вых ×R1R + R21Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя будет равен:Кус=Uвых =Uвх( R + R 2)R1=1 + 2RR11Таким образом, и для этой схемы коэффициент усиления зависит толькоот параметров цепи обратной связи.Входное сопротивление неинвертирующего усилителя очень велико(порядка 100 Мом), выходное сопротивление мало и составляет доли Ома.3.3.

Повторитель напряжения на основе ОУ (рис.10.5).U вх1Uв ыхUc1Рис. 10.5При таком включении ОУ в его схеме:действует 100%-я ООС по напряжению, следовательно, усиления понапряжению в схеме не будет (К<1);очень большое входное сопротивление, что позволяет не нагружатьвходной источник;усиление по току хорошее, так как, при таком большом входномсопротивлении ОУ, можно считать, что Iвх ≈ 0;происходит полная развязка нагрузки и источника сигнала.3.4. Суммирующая схема на основе ОУ.R3R1Uc1R2Uc2ВU вхUвыхРис.10.6Показанная схема – это фактически модификация инвертирующейсхемы для двух или более входных сигналов.

Входные напряженияпоступают на инвертирующий вход ОУ через резисторы R1 и R2.В соответствии с 1 –м законом КирхгофаI1 + I2 – I3 = 0 для узла «В»В соответствии со 2 –м законом Кирхгофа (обход по часовойстрелке)I1R1I2ВR2I1I3R3I2UвыхЕc1Iвх ≈ 0Еc2Ec1 −U R1+U R2 −E c2 =0Ec2 −U R2 −U R3+U вых =0Ec1 −U R1−U R3+U вых =0– для контура «I1-R1-R2-Ec2»;– для контура «Ec2-R2-R3+Uвых»;– для контура «Ec1-UR1- UR3+Uвых».R3 = Rос3.5. Интегрирующая схема на основе ОУU c1 (t)СUc1RUвхUвыхUcUвых(t)tСхема интегратора на ОУ получается путём замены в инвертирующейсхеме резистора обратной связи на конденсатор С.Заряд на конденсаторе и ток через него можно выразить уравнениями:Q =CU ;ic =dQdtС учётом этих соотношений получим для схемы интегратораdU выхiос =С ос.dtДля идеального ОУ, у которого rвх ≈ 0: iос= Uвх / R1 и i1=iоc, отсюдаU вхdU вых=−C ос,R1dtИли – в интегральной формеU вых =−1R1C осTи∫U вх dt ,(А)0где Ти – время интегрированияВывод: значение напряжения на выходе интегратора пропорциональноинтегралу от входного напряжения, а масштабный коэффициент равен1/R1Cос и имеет размерность сек-1.Если входное напряжение постоянно, то выражение (А) принимает видU вых =−U выхt.R1CосПоследнее выражение описывает выходную характеристику с наклономU вх−, В / сек .RCВыходное напряжение будет нарастать до тех пор, пока ОУ не перейдётв режим насыщения.3.6.