Схемы на операционных усилителях

Тема: Схемы на операционных усилителях.

Вопрос 1. Общая характеристика ОУ.

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению к_u==5×10³ - 5×10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх=20 кОм - 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

ОУ имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход U_вх.и. приращение выходного сигнала U_вых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением U_вх, а при подаче на неинвертирующий вход - совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

На рис.8.2 приведена принципиальная схема ОУ К544УД1А. Высокое входное сопротивление ОУ обеспечивается согласованной парой полевых транзисторов VT1, VT5 входного дифференциального каскада, включающего в себя кроме названных транзисторы VT2, VT4 и резисторы R1, R3. Работа этого каскада обеспечивается стабилизатором тока, включающим транзисторы VT6, VT7 и резисторы R4, R5. Температурная компенсация осуществляется звеном, выполненным на транзисторах VT10, VT14 и резисторах R8, R10. ОУ имеет защиту от коротких замыканий по выходу (VT16, VT18, R12). Выходным каскадом является составной эмиттерный повторитель (VT12, VT17, VT15, R11), имеющий низкое  выходное сопротивление и обеспечивающий нагрузочную способность. Выходной каскад имеет свой стабилизатор тока (VT11, VT13, R9). В согласующее звено между входными и выходными цепями входят элементы: R6, R7, VT8, VT9, VD1, C1.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) U_вых=f(U_вх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) к_U(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого к_U==const, и нелинейный - к_U^¢<к_U. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ.

Вопрос 2. Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ.

Инвертирующий усилитель (рис.8.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается U_вх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора R_о.с._. Коэффициент усиления

Рекомендуемые материалы

к_U.и=.

Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричные входы, выбирая R₂=R₁êêR_о.с.

Неинвертирующий усилитель (рис.8.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного и

к_U.н=.

Вопрос 3. Вычитатель-усилитель и сумматоры.

Вычитатель-усилитель (рис.8.6) предназначен для усиления разностных сигналов. Если R₁=R₂ и R_о.с=R, то U_вых=(U_вх2-U_вх1).

Сумматоры. Схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматоров приведены на рис.8.7, 8.8. Для инвертирующего сумматора выходное напряжение определяется по формуле

.

При равенстве входных сопротивлений R₁=R₂=R

U_вых=-(U_вх.1+U_вх.2+...+U_вх.n) - для инвертирующего сумматора;

 - для неинвертирующего сумматора.

В схеме сумматоров переменным параметром является сопротивление обратной связи R_о.с, которое и определяет коэффициент усиления. Формулы

приведены для постоянных величин (числовой сумматор) U_вх.1, U_вх.2 и т.д. В работе исследуется также инвертирующий геометрический сумматор, для которого складываются мгновенные значения U_вх.1 и U_вх.2.

Вопрос 4. Интегратор и дифференциатор.

Интегратор, схема которого показана на рис.8.9, реализует операцию

,

где t=R₁C_о.с - постоянная времени.

Дифференциатор (рис.8.10) выполняет операцию

U_вых=-R_о.сC=-t.

Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рис.8.11,а приведен электрический аналог и на рис.8.11,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.

Вопрос 5. Избирательный усилитель.

На рис.8.13 показан избирательный усилитель с частотно-зависимым двойным Т-образным мостом на базе резисторов R₁, R_2, R₃ и конденсаторов C_1, C₂, C₃, подключенным по схеме отрицательной обратной связи, для которого w₀=. Мост выполняется симметричным, т.е. R₁=R₂=R, C₁=C₂=C и R₃=. Если C₃=C₁+C₂=2C, тогда w₀=.

Вопрос 6. Генераторы на ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор (рис.8.14) является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R_о.сC×ln(1+), при R₁=R₂ t_и=t_п=R_о.сC×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q=. Изменяя t=R_о.сC и величины R₁, R₂, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина на базе ОУ (рис.8.15) является самовозбуждающимся устройством. Мост Вина, состоящий из элементов R₁, R₂, C₁, C₂, образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи, для которого f₀= - частота генерации частотно-зависимой цепи. При R₁=R₂=R и C₁=C₂=C (условие обязательное) f₀=. Соотношение параметров R_о.с и R₀ определяет коэффициент усиления k_u.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT. При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Е_зар. через R₃ с постоянной времени t_зар=R₃C, что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

Вопрос 7. Пороговые устройства.

Пороговые устройства предназначены для сравнения двух входных величин. В рассматриваемых схемах сравниваются постоянное U_оп и переменное U_вх напряжения. На рис.8.17,а приведен двухвходовый компаратор, у которого сравнивающиеся сигналы поступают на оба входа усилителя. Поэтому состояние выхода компаратора (полярность выходного напряжения) определяется большим по уровню напряжением одного их входов, что отражает идеализированная (без учета гистерезиса) передаточная характеристика (рис.8.17,б). При равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю. При DU_вх=U_оп-U_вх>0 наряжение на выходе ОУ будет равно U_вых=U_вых.m, если же DU_вх=U_оп-U_вх<0, то U_вых= -U_вых.m.

Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами для U_вх и U_вых (рис.8.17,в). Обратные связи для этого компаратора не предусмотрены ни по одному их входов.

Для ускорения процесса переключения используют ускоряющие цепи на основе введения положительных обратных связей (ПОС). Такой компаратор с ПОС называется также триггером Шмитта (рис.8.18,а). Здесь применяется ПОС через цепочку R₁,R₂, а входной сигнал подается на инвертирующий вход. На рис.8.18,б построена передаточная характеристика этого компаратора, для которой

U_пр^¢=U_оп

U_пр^²=U_оп

U_г=U_пр^¢-U_пр^²=,

U_г - ширина петли, определяющая соотношением сопротивлений делителя R₁ и R₂.

Контрольные вопросы

1. К какому классу усилителей относится ОУ?

2. Чем объясняется широкое использование ОУ?

3. Поясните структурную компоновку ОУ.

4. Что такое обратные связи в усилителях и как они используются при построении конкретных устройств на базе ОУ?

5. Какие основные характеристики ОУ и какой они имеют вид?

6. Где используют линейный и нелинейный режим усиления?

7. Поясните принцип построения инвертирующего и неинвертирующего усилителя на базе ОУ.

8. Как определяется их коэффициент усиления?

9. Поясните принцип построения вычитателя, сумматора, дифференциатора, интегратора. Запишите формулы выполняемых операций.

10. Что такое “избирательный усилитель”? Особенности АЧХ. Что такое и как определяется полоса пропускания?

Особенности организации обучения и развития младших школьников и подростков - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

11. Основные принципы построения самовозбуждающихся устройств на базе ОУ.

12. Что такое частотно-зависимые цепи и в каких устройствах они используются?

13. Принцип построения и использование ГЛИНа.

14. Что такое “пороговые устройства”?

15. Какое принципиальное отличие при построении компаратора и триггера Шмитта на ОУ?

16. Поясните, что такое “гистерезис” в электронных цепях?