Методические указания

1. ВВЕДЕНИЕОперационнымусилителем(ОУ)называютусилительнапряжения,предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами приработе в цепях с отрицательной обратной связью (ООС), в состав которых могут входитьсопротивления (R), емкости (С), индуктивности (L), диоды, транзисторы и другиеэлементы.Основныетребования к ОУ сводятся к тому, чтобы он как можно ближесоответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением сбесконечно большим коэффициентомусиления.

А это значит, что входноесопротивление ОУ должно быть равно бесконечности (Rвходной ток Iвхвх=  ) и, следовательно,=0. Выходное сопротивление должно быть равно нулю (Rвых=0),анагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемыхсигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высоких частот. Т.к.коэффициент усиления велик, то при конечном значении Uдолжно быть близким к нулю.выхнапряжение на его входе22. СХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯУсловное обозначение ОУ приведено на рис.1.Рис.1.

Условное обозначение операционного усилителя.Входные сигналы Uвх1иUвх2можно подавать на любой из двух входов -инвертирующий (обозначен кружком) и неинвертирующий. Входная цепь ОУ выполненапо дифференциальной схеме. Имеются выводы для подачи питания Еп и подключениядополнительныхсхем.Разностноенапряжение(Uвх1–Uвх2)=Uдиф.являетсядифференциальным входным сигналом, оно приложено между инвертирующим инеинвертирующим входами ОУ.Выходное напряжение определяется в видеUвых.= (Uвх1 -U вх2)*K,где К   коэффициент усиления по напряжению ОУ.Полусумма напряжений 1 /2(Uвх1+Uвх2) называется синфазным сигналом. Дляэтого сигнала выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальныхусилителях это не выполняется.Эквивалентные схемы идеального и реального ОУ приведены на рис 2.3а)iвх2=0Uвх2rвыхесмrвхUвх1Uвыхiвх1=0б)Рис.2 Эквивалентные схемы ОУ (а - идеального, б - реального)СхемазамещенияидеальногоОУсодержитисточникнапряженияуправляемый дифференциальным входным сигналом Uвых = (Uвх1 -Uвх2Uвых,)*K.

Входныетоки в этой схеме отсутствуют, т.к. входное сопротивление равно бесконечности. Дляреального усилителя (рис.2 б) схема замещения содержит источники входных токов iвх1,iвх2 , входное сопротивление rвх., источник напряжения смещения нулевого уровня есм,выходное сопротивление rвых. Эти схемы замещении можно использовать для расчетасхем с ОУ в статическом режиме. При анализе динамических свойств для обеспеченияустойчивости в широкой полосе частот используется частотная коррекция усиления,которая обеспечивает снижение усиления с ростом частоты.

Эта частотная коррекцияпредставляет собой интегрирующее звено, у которого коэффициент усиления обратнопропорционален частоте.4icUвхдифCkUвых2i1S1U1K1K2K3а)+Еп2i1+Т1i2Т2Т7СкUвыхU1UвхicRНТ8_2i1Т5Т6Т3 Т4-ЕпДифференциальныйкаскадПовторительнапряженияИнтегратор токаб)Рис.3.Упрощеннаяструктурнаясхема(а)ипринципиальнаясхема(б)дифференциального ОУ.Схема замещения ОУ с учетомчастотной коррекции приведена на рис. 3а. Онасодержит входной дифференциальный каскад с коэффициентом передачи К 1преобразует входной дифференциальный сигнал в выходной ток,,которыйпоступающий наинтегрирующее звено с коэффициентом передачи К2 .

Выходной каскад является5усилителем мощности и представляет собой повторитель напряжения. Упрощеннаяпринципиальная схема такого усилителя приведена на рис.3б.Дифференциальный каскад выполнен на транзисторах Т1 - Т4 ,транзисторы Т1,Т2образуют дифференциальный усилитель, атранзисторы Т3, Т4 являются егодинамической нагрузкой.

Выходным сигналом первого каскада является ток, которыйпоступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах Т5 и Т6. Этот каскадимеет большой коэффициент передачи К2 и он охвачен емкостной обратной связью посхеме интегратора. Выходным сигналоминтегратора тока является напряжение U1,равное напряжению на конденсаторе Ск. На транзисторах Т7, Т8 выполнен повторительнапряжения по схеме с эмиттерной нагрузкой.Рассмотрим взаимосвязь основных характеристик ОУ. Входной дифференциальныйкаскад характеризуется крутизной транзисторов Т1, Т2, для которых ток коллектора инапряжение на базе определяются выражениемi1 =I0 ехр(Uвх. /φт )(1)Тогда крутизна дифференциального каскада будет иметь значениеS1 = K1 = dI1 /dUвх. =i1 / φт ,(2)где I1 – коллекторный ток дифференциального каскада (ДК), φт- -тепловой потенциал.Для определения коэффициента передачи интегратора тока, воспользуемся зависимостьюмежду напряжением и током в емкости Скic = 2i1 = Ck *dU1 /dt(3)Для переменного гармонического сигнала эта зависимость имеет вид2i1 =ώ Ck U1 ,откуда коэффициент передачи интегратораК2 =U1/ic =U1 /2i1 =1/ώ Ck(4)Учитывая, что коэффициент передачи повторителя напряжения К3 =1, найдем полныйкоэффициент передачи ОУК=К1* К2* К3 =S1 /ώCk(5)Таким образом, крутизна ДК и емкость коррекции Ск влияют на частотнуюзависимость коэффициента усиления ОУ.

Если ώ  0 .,то коэффициент усиления К   ,т.е. формула (5) отражает свойства идеального ОУ на постоянном токе. В реальномусилителе коэффициент усиления не превышает К(0) для постоянного напряжения.Зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведена нарис.4. Она построена в двойном логарифмическом масштабе, где коэффициент усиленияК определен в децибелах. ( К=20 lg S1 / ώ Ck [дБ].)6К, дБК(0)Рис.4. Частотная зависимостькоэффициента усиления ОУ.0ώпр.Lg ώUвыхUmРис.5. Зависимость максимальнойамплитуды выходного сигнала отчастоты.0ώmaxLg ώПредельная частота ОУ определяется условием, когда коэффициент усиления равен 1.К(ώпред.

) =1 дБ, ώпред =S1 /Cк.Динамические свойства ОУ описывают также при помощи скорости нарастаниявыходного напряжения VU вых . Учитывая, что Uвых = U1 имеемVU вых = dUвых. /dt =2i1 /Ck =2 φт S1/Ck =2 φт ώпред.(6 )Следовательно, чем больше предельная частота, тем выше скорость нарастаниявыходного напряжения. Максимальная частота усиления большого сигнала ώмах (рис.5)определяет границу получения выходного сигнала с заданной амплитудойискажения. Максимальная частотаUмах безώмах связана с максимальной скоростью нарастаниягармонического сигнала на выходе ОУ.

Если принять, что Uвых. =Uмах Sin ώt, то скоростьизменения равна dUвых /dt =ώUмах Сos ώt и при Сos ώt=1 она будет иметь максимальноезначение( dUвых /dt)мах = ώмах * Uмах. Откуда ώмах = (VU вых )мах / Uмах.(7)73. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГОУСИЛИТЕЛЯ1. Коэффициент усиления по напряжению ОУ определяется отношением выходногосигнала к дифференциальному входному сигналу при работе усилителя на линейномучастке статической характеристики (рис.6).К=Uвых.

/Uвх.дифUвыхUвIIIII0UнесмUвх. диф.IРис.6.Передаточная характеристика ОУ.На рисунке видно три участка, которые соответствуют трем режимам работы ОУ.Участки 1 и 2 соответствуют режимам ограничения и Uвых не зависит от Uвх.диф и равнонижнемуUни верхнемуUвуровням ограничения. Ограничение снизу являетсяследствием насыщения выходного транзистораТ6, сверху - следствием насыщениявыходного транзистора источника тока i2 (рис.3). Основой источника тока обычноявляется биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой (ОБ). Участок 3соответствует режиму усиления, т.к .коэффициент усиления ОУ велик, характеристикапочти вертикальна.2. Напряжение смещения (есм ) - это дифференциальное входное напряжение Uвх.диф,при котором Uвых. =0. Максимальное по модулю |есм | ОУ, выполненного на биполярныхтранзисторах составляет 3-10 мВ.

На рисунке 2б напряжение смещения показано в видедополнительного источника сигнала, суммируемого с Uвх2. Поскольку есм имеет любуюполярность, то безразлично, к какому входу добавлять дополнительный источник.3.Среднийвходнойток(iвх.ср)-среднеарифметическоеинвертирующего и неинвертирующего входовзначениетоковОУ, измеренное при таком входномнапряжении Uвх.диф, при котором Uвых =0. На рисунке 2б входные токи отражены в виде8источников тока iвх1 и iвх.2. Средний входной ток ОУ с входными каскадами на БТсоставляет 0,01-1,0 мкА.4. Входное сопротивление(rвх), указанное на рис.2б, обычно относится кдифференциальному сигналу. Оно определяется как удвоенное входное сопротивлениекаждой половинки ДУ.rвх.диф.=2[(   1) rэ+rб],(8)где rэ , rб – дифференциальные сопротивления эмиттера и базы.

Для увеличения rвхцелесообразно использовать ДУ в режиме малых токов – в микрорежиме, а такжеприменять транзисторы с высокими значениями коэффициента усиления  (параДарлингтона). rвх составляет 103 -106 Ом.5.Длясинфазнойсоставляющейвходноесопротивлениеопределяетсявыходнымопределяетсясопротивлением источника тока (ri )rвх.сф. =(   1) riПоскольку ri > rэ , то6.Выходноеrвх.сф. > rвх.диф.сопротивлениеОУсопротивлениемэмиттерного повторителя rвых = rэ.

Обычно оно составляет десятки Ом.4. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ.1. Повторитель напряжения. Передает сигнал с неинвертирующего входа навыход без изменения формы, полярности и обладает коэффициентом передачи,равным единице. Повторитель напряжения используется в тех случаях, когданеобходимо подключить высокоомный источник сигнала к низкоомнойнагрузке.

Благодаря 100-процентной отрицательной обратной связи ибольшому коэффициенту усиления операционного усилителя интегральныйповторитель напряжения выгодноотличается от эмиттерного илиистокового повторителейзначительно меньшей погрешностьюпо постоянному току.Рис.792. Инвертирующий усилитель. Инвертирует и усиливает напряжение. За счетрезистора Rf в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь.Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд,которое приложено непосредственномежду инвертирующим инеинвертирующим входами.Рис. 83.

Неинвертирующий усилитель. Усиливает напряжение (умножает напряжениена константу) не инвертируя. В неинвертирующем усилителе входной сигналподается на неинвертирующий вход ОУ. Для создания ООС цепь ОСподключают кинвертирующему входу.Полученная ОС будетпоследовательной ООС понапряжению.Рис. 94. Инвертирующий суммирующий усилитель (инвертирующий сумматор)1.Суммирует несколько напряжений каждое со своим весовым коэффициентом.Сумма на выходе инвертирована.В реальных устройствах числовходов обычно не превышаетпяти.Рис.

101На ОУ также можно реализовать и неинвертирующий сумматор.105. Дифференциальный усилитель (вычитатель). Данная схема предназначенадля получения разности двух напряжений, при этом каждое из нихпредварительно умножается на некоторую константу (константы определяютсярезисторами). Используется для подавления синфазной помехи.Рис.

116. Интегратор. Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.RC=τ – постоянная интегрированияРис. 127. Дифференциатор. Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал повремени.RC=τ – постоянная дифференцированияРис. 13118. Логарифмический усилитель. Логарифмический усилитель имеетнелинейную амплитудную характеристику (рисунок 14), соответствующуюлогарифмической зависимости выходного напряжения от входного Uвых =log(Uвх). Такой усилитель иногда применяется в тех случаях, когданеобходимо уменьшить динамическийдиапазон усиливаемых сигналов, таккак он усиливает сигналы малойамплитуды с большим коэффициентомусиления, чем сигналы большойамплитуды.Рис. 14I0 – ток утечки диода при небольшом обратномсмешенииНапряжениемВ при 250 С9.