Чижма С.Н. - Основы схемотехники 2008 (1055377), страница 27
Текст из файла (страница 27)
ГЛАНА и ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В настоящее время разработано огромное количество аналоговых интегральных схем (ИС) двух типов — базовые электронные элементы ~операционные усилители, компараторьй стабилизаторы напряжения) и специализированныеые ИС, предназначение для решения одной задачи. На первый взгляд может показаться, что все уже придумано, бери и пользуйся. На самом деле это не так.
На ранних этапах развития электроники «кирпичиками», из которььх собирались схемы, являлись транзисторы, диоды, резисторы и другие дискретные элементы. Сейчас «кирпичиками» являются разнообразные ИС. По цене стоимость дискретных элементов и ИС практически сравнялись. Современный этап развития электроники характеризуется тем, что при проектировании электронных средств различного назначения используют не дискретные элементы, а законченные функциональные элементы, выполненные на интегральных схемах. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплуатационные и надежностные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования.
Разработка схем фактически сводится к разработке структуры, удовлетворяющей поставленным требованиям, выбору необходимых ИС н согласованию нх входных н выходньгх характеристик. Применительно к цифровым устройствам выбор ИС достаточно формализован и практически не представляет труда. В то же время выбор и применение аналоговььх ИС достаточно специфичны н оставляют большой простор для творчества разработчика Он должен знать внутреннюю схемотехнику и конструкцию ИС, свойства типовых схем и условия их применения, а также методы быстрой оценки основных характеристик разрабатываемого устройства.
Несмотря на различие элементной базы, функционального назначения и технологии изготовления, основой большинства ИС является схемотехника дифференциального усилителя постоянного тока, на базе которой выполнены операционные усилители. Дифференциальный усилитель в настоящее время по существу является основным схемотехническим элементом современной интегральной аналоговой электроники. Именно по этой причине интегральные усилители постоянного тока являются наиболее массовым типом аналоговых ИС, Рассмотрим несколько наиболее распространенных схем на ОЪ; 152 12.1. Инвертируюший усилитель Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС), ;::::",,ппэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение та;=:.
',~>го усилителя. Следует воспользоваться тремя упрошаюшими предположе-:,.' ' ниями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и вход' "ное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю. При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по '::;; ", 'напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами :: -'нй.'несколько долей мнлливольта вызывает изменение выходного напряже: „:цйя в пределах его полного диапазона.
Из этого следует первое правило: ОУ ..:. усиливает разность напряжения между входами и засчет внешней схемы ООС :" '.рэередает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжеййй между входами практически равна нулю Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от ,:.:-, мегаом до тысяч мегаом, входные токи — от долей наноампер до пикоампер.
Это дает основание сформулировать второе правило: входы операиионного 'рйилителя токов не потребляют. Эти правияа дают достаточную основу для ацалнза схем на ОУ. Схема инвертируюшего усилителя на ОУ приведена на рис.!2.1, Рис. 12.1. Инвертируюший усилитель на ОУ Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, мож':.':нолпоказать, что при заземленном неинвертируюшем входе ОУ напряжение :Йй 'инвертируюшем входе также равно нулю.
Это означает, что падение на- пряжения на резисторе я равно у ., а падение напряжения на резисторе .г,равно Сг, . Если входные токи ОУ равны нулю, то ~'гьи ~~ос ~ гх коэффициент усиления по напряжению 153 (12.1) Знак кминус» показывает, что выходной сигнал инвертировал относительно входного 1сдвинут на 180 ), Данная схема является усилителем постоянного тока, АЧХ ее представлена на рис,9.9. В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подав~ел параллельно с ним на один и тот же вход.
Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения Р, и Я всегда равен нулю, а эта точка называется «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы 112.2) Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома. Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор Рс как правило, бывает небольшим. Достоинством схемы является малое значение синфвзного напряжения, практически равного нулю.
Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертируюшего усилителя очень гибким. Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быль перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнач станет равным напряженнзо насыщения (обычно его величина меньше напряжешзя питания на 2 В). В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения.
Многие ОУ имеют довольно малое пределъно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи. Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно ь'вь, = К, П Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смешения 154 „:,2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения я0,2 В. Для , "' решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля :(используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением -,;смещения, Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные емкости в последовательной цепи передачи входного и всиходного сигнала Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже .
'1прн условии идеальной настройки (Ь'„, = О), на выходе усилителя будет при':.'. яутствовать отличное от нуля выходное напряжение, Это связано с тем, что .,входной ток смещения ),х создает падение напряжения на резисторах, которое '::.,затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны ': ':цнвертирующего входа определяется резисторами А,~~А~, но ток смещения " ' воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через А„а 'Псэтому он порождает смещение выхода 12 и =! А Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смешения, исполь: -' зущт включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом .".::,-и общим проводом.
Величина этого резистора должна быть равна А, = А, ~А Для приведенного примера А, = 10кОм, А с = 100кОм, А, = 9,1 кОм Рис. 12.2. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в ': ' Ирактических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1;.до 100 кОм К резисторам обратной связи предъявляется два противоположных тре- - .бования.
Резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда ;, ':.'онв не будут существенно нагружать выход, вместе с тем, если они будут :. ':.::4Фщком большими, то входной ток смещения будет порождать ощутимые '.' ....е))ззпри. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышаВтвосприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияКянр паразитной емкости. Для ОУ общего назначения обычна выбирают рези- 155 сторм цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100 кОм.
Из этого следует, что практическое значение максимального коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно 100. 32.2. Ненвертврующий усилитель Рассмотрим схему неинвертнрующего усилителя (рис.12.3). Рис. 12.3. Неивертирующий усилитель на ОУ Для анализа схемы воспользуемся тем, что разность налряжений для ОУ, охваченного ООС, равно нулю. Тогда напряжение в точке А С~ = б'„. Напряжение (т, снимается с делителя напряжения: Е ли и,=и„, (12.3) ~.и =~~выгу(эаг + лос' )'~.
В схеме реализована последовательная ООС по напряжению, вследствие чего входное сопротивление схемы велико (для ОУ с биполярными транзисторами на входе оно превышает 1О" Ом), а выходное — доли Ом. Главное достоинство схемы — высокое входное сопротивление, недостаток — на входе ОУ имеется синфазное напряжение, равное входному сигналу. На рис. 12.4 представлен повторитель на основе ОУ.
Он представляет собой неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора А, равно бесконечности (разрыв), а сопротивление резистора К вЂ” нулю (замыкание), при этом коэффициент передачи схемы равен нулю. Усилитель с единичным коэффициентом повторения называют иногда буфером, так как он обладает отличными свойствами для согласования схем с высокими выходными и низкими входными сопротивлениями. Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве поьторителей.
Они обладают улучшенными характеристиками, в основном более высоким быстродействием. !56 сйых Рис. 12.4. Повторитель на ОУ Во многих случаях требуется, чтобы в усилителе происходило усиле,,", 'нно только переменных сигналов, причем возможно наличие постоянной со:,',::Ставляющей входного сигнала. Для этой цели применяют включение во вход':::,.
Иой цепи разделительного конденсатора (рис.12.5). с„ Рис. 12,5, Усилитель переменного тока на ОУ Резистор Я„„ включен для того, чтобы не происходила зарядка конден- ,„" йатора входным током ОУ и не появлялось дополнительное напряжение сме'::;.-'щения на входе. Основной недостаток схемы состоит в том, что резистор А, '... щунтирует собой вход схемы, а входное сопротивление схемы равно сопро.;::тивлению резистора Л, что гораздо меньше входного сопротивления ОУ. :,„" ' Величина А, определяет напряжение смешения на выходе. Для устранения : .
''нз выходе схемы постоянного напряжения необходимо поставить последова.":.тельно с выходом разделительный конденсатор, 12З. Суммируюнзий и вычитающий усилители Сумматор на основе ОУ вЂ” инвертируюший усилитель с дополнитель::,'-,Жими входами (рис.12,6). В этой схеме также используются свойства мни'мон земли 157 Рис. !2.6. Суммирующий усилитель Составляя уравнение баланса токов и полагая, что входы ОУ ток не потребляют, имеем; Поскольку инвертируюший вход ОУ в этой схеме является мнимой землей, токи можно выразить через напряжения сигналов и сопротивления резисторов следующим образом: — зых Ог= !' з' ~' з ВЬП ( 1 ог 1 ~ Ос 2)' (12.4) Сопротивления резисторов обычно лежит в пределах от 10 до 100 кОм, удобно их выбрать так, чтобы выполнялись равенства Я „. = Я, + Ял в этом случае (12.5) 158 Заметим, что хотя выходной сигнал и равен по величине сумме входных сигналов, все же знак его — обратный, зто свойство схем с мнимой землей.
Характерная особенность схемы в том, что входные сигналы не влияют друг на друга. В схеме дифференциального усилителя (рис. 12.7) входная цепь выполнена так, что подача сигнала обратной связи совмещена с наличием дифференциального входа, фактически эта схема представляет собой комбинацию схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Вход С'~, является инвертируюшнм, вход (',, — неинвертирующим. Если вход !/„», заземлить, а на вход ('~, подать сигнал, то получившаяся схема будет эквивалентна инвертирующему усилителю с коэффициентом усиления напряжения — Яос/Аг Если входы поменять местами, то получится неинвертируюший усилитель с коэффициентом усиления напряжения А /Яг Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
