Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Большой коэффипиент усиления по напряжению (в идеале — бесконечный) . 2. Высокое входное сопротивление (в идеале — бесконечное). 3. Малый выходной импеданс (в идеале — равный нулю). 4. Широкая полоса пропускания (в идеале — бесконечная). 5. Выходное напряжение равно нулю, когда оба входа точно равны друг другу.
6. Большой КОСС (в идеале — бесконечный). 7. Большая скорость нарастания выходного напряжения (об этом будет сказано в разделе 13.12). Первый качественный интегральный ОУ рА709 был выпущен фирмой Ра1гсЫ1с! Яеппсопс1псФогв (США) в 1965 году. ОУ рА709 имел недостатки: возможное ззщелкивание выхода (выходное напряжение принимает фиксированное значение и перестает реагировать на входной сигнал) и отсутствие защиты выхода от коротких замыканий. ОУ требовал наличия внешней цепи частотной компенсации (2 конденсатора и 1 резистор) для предотвращения самовозбуждения.
Несмотря на это, рА709 вошел в историю и начал революцию операционных усилителей. Три года спустя Ра1гсЫ1о выпустила улучшенную версию ОУ в виде,иА741, который бь|л свободен от недостатков, присущих рА709. Один конденсатор в 30 пФ устранял нежелательные колебания. ОУ 741 стал популярным операционным усилителем общего назначения, и мы будем использовать его в этой главе в качестве модели. Кроме фирмы Ра1гсЫ16, он производится несколькими другими компаниями под их собственной маркой, например, ~~~ 368 Глава 13. Дифференциальные и операционные рсилигпели +исс ОУ добавляют им еще больше привлекательности.
ОУ, как упоминаюсь ранее,— многокаскадный усилитель. В действительности, его схема намного сложнее (мы уклонимся от подробного изучения схемы ОУ). Его первый каскад — дифферь ренциальный усилитель с симметричным входом и симметричным выходом, обеспечивающий операционному усилителю высокое входное сопротивление и большой коэффициент усиления по напряжению.
Промежуточные каскады могут содержать другой дифференциальный уси- Сигнал с првдыдущ каскада литель (с симметричным входом и несимметричным выходом), за которым следует каскад эмиттерного повторителя. Эти схемы увеличивают коэффициент усиления по напряжению и повышают входное сопротивление усилителя. Выходной каскад, как правило, двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель (изображен на рис. 13.20).
Он увеличивает размах выходного напряжения и способность ОУ снабжать нагрузку большим током. В реальных ОУ, вместо резисторов В, показанных на рис. 13.20, применяются активные нагрузки, образованные транзисторами. Рис. 13.20. Упрощввнвк схема вы- ходного каскада (двухтвктный вмит- терный повторитель класса В) Условное ерафичесное обозначение На рис. 13.21, а приведено условное графическое обозначение ОУ.
Для простоты выводы питания и некоторые другие в схемах не изображают. Входной каскад ОУ вЂ” дифференциальный усилитель, и дифференциальные входы обозначают знаками (+) и ( — ) (рис. 13.21, б). Вход (+) называется неинвертирующий вход. Переменный входной сигнал, поданный на этот вход, производит совпадающий по фазе выходной сигнал. Если на этот сигнал подать постоянное напряжение, оно появляется на выходе с такой же полярностью. Вход, обозначенный ( — ) называется инвертиру ющий вход, и переменный входной сигнал, приложенный к этому входу, отличается от сигнала на выходе на 180'. Приложенный сигнал постоянного тока появляется на выходе с обратной полярностью. ХаФ1опа1 Беш1сопс(псФогв (ЬМ741), Моього1а (МС741) и т.
д. Теперь существует большое множество ОУ самых разных видов, со специфическими характеристиками, подходящими для различных схем. Простота применения и низкая цена »».». 0 р»» 369)) Инвертирую вход К~ Инеертирующий вход ко Кг Неинвертирую вход ход Кз Неинеертирую вход ход а) б) Рнс. 13.21. Условное графическое обозначение ОУ. Все напряжения показаны по отношению к земле, »А» — большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи (а). Обозначение ОУ, используемое чаще.
1»оо и Ъьв всегда подключены, во в схемах обычно не показывают 1б) Схемы подключения Расположение выводов ОУ 741 в наиболее широко применяемом корпусе — П1Р1 и в круглом металлическом корпусе изображено на рис. 13.22. Выводы 2 и 3 — инвертирующий и неинвертирующий входы. Выход снимается с вывода 6. Все зти входные и выходные напряжения — по отношению к земле. Положительное напряжение питания тсс подключается к выводу 7, а отрицательное напряжение питания 1»нн — к выводу 4.
Выводы смещения нуля — 1 и 5 будут обсуждены позже. 1 111Р— аббревиатура английского названия»ЗЭпа1 1п-1ше Расйабе»» означающая корпус с двухрядным расположением выводов, удобный для монтажа и недорогой тип корпуса вз пластмассы вли керамики. 12 †28 Истпочники пир»авил длл ОУ Как мы заметили при обсуждении дифференциальных усилителей и при рассмотрении схемы на рис.
13.20, ОУ 741 1и большое число других ОУ) требуют для работы два источника питания — один для положительного (по отношению к земле) напряжения 1'сс и другой для отрицательного напряжения Ънн. Величины тсс и 1 ни обычно одинаковы, например, Рсс = +15 В и Ънп = — 15 В. Вместо применения двух отдельных источников, Ъсс и $'нк можно получить от одного источника питания ию как показано на рис. 13.23, а. Сопротивление резисторов В выбирается достаточно большим (несколько кОм), чтобы излишне не нагружать источник питания. Диоды 1)1 и Р2 защищают ОУ от обратного включения источника ил и предотвращают протекание в схеме обратных токов.
Конденсаторы развязывают источник питания от переменных токов. Вместо двух резисторов также ~~~370 Глава 1Х Ди44еренцивльные и операционные усилители можно применить потенциометр, чтобы удобнее было регулировать равенство ($'сс ! = )Ънн (, как это показано на рис. 13.23, б. Рис. 13.23, в иллюстрирует применение стабилитронов для получения симметричных питающих напряжений. Сопротивление резистора В, должно быть достаточно малым, чтобы обеспечить достаточный ток стабилитронам Я1 и Яз для работы в режиме пробоя.
+Вход ь(Ч) +Вход Выход од 2 + Смещение нуля Корпус С)Р а) б) (-) Смешв ну Круглый металлический корпус Выход +Вход +Вх Смещение -(у) в) Рис. 13.22. Расположение выводов ОУ 741: корпус 111Р (а) к (6); круглый метал- лический корпус (в) Эквивалентнол схема операционноео усилитпелл На рис. 13.24 представлена эквивалентная схема ОУ. Входное сопротивление В; равно эквивалентному сопротивлению между двумя входными клеммами.
Входное сопротивление В; у биполярного входного каскад~ ОУ обычно 2 мОм (как у ОУ 741). ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах (например, ЬМ351) имеет гораздо большее входное сопро тивление ( 101х Ом) и очень малый входной ток ( 10 в А). Выходное сопРотивление Вв — эквивалентное сопРотивление на выхоДе, наблюДае мое на выходной клемме внутрь. Оно обычно в диапазоне от 10 до 100 Ом и уменьшается при использовании ОУ с обратной связью (как это часто и делается). Выходное напряжение гв ОУ ( рис.
13.24) равно ив = Аол = А(о1 — из). (13.28) где А — коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой петлей ОС; пя — дифференциальное входное напряжение (разность входных напряжений); и) — напряжение на неинвертирующем входе (по отношению к земле); гз — напряжение на внвертирующем входе (по отношению к земле). Усс(=+ У/2) Оу уел -у„(= — у,)г) б) а) (=+ Уьч) -Уел (= — Уге) в) Рис. 13.23. Получение положительного и отрицательного напряжения от одного источника (а) и (6). Положительное и отрицательное напряжение, полученное от двух стабилитронов (в).
Ул1 и Улх — напряжения стабилвзации стабилитронов Рис. 13.24. Эквивалентнал схема операционного усилители Инеертирующи вход Уг у, Выход Неинеертирующи вход Уравнение (13.28) показывает, что ОУ усиливает разность двух входных напряжений, а полярность выходного напряжения зависит от полярности разности напряжений. Если в уравнении (13.28) гя = О, то г~о = Ап(, и ОУ работает как неинвертирующий усилитель, если и) = О, то ео = — Апп и он работает как инвертирующий усилитель.
~~~372 Глава И. Дифференциальные и операционные усилители «А» — коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью, т. е. без обратной связи. Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью очень большой и обычно лежит в диапазоне от 104 до 104.
! 3. ) 2. Характеристики и параметры операционного усилителя Передатпочная характперистика по напряжению Основное уравнение операционного т» усилителя — это уравнение (13.28). График зависимости выходного напряжения и от дифференциального входного напряжения и«л согласно уравнению (13.28) дает переда-ьтн «ти точную характеристику по напряжению, приведенную на рис.
3.25. Наклон графика равен коэффициенту усиления А, который будем считать постоянным. Важное свойство, заслуживающее Рнс. 13.25. Передаточная характернстн- внимания (рис. 13.25) — выходное ка по напряжению ОУ напряжение пропорционально входному и меняется линейно, пока не достигнет насьпцения при значениях +и, ь или — и, ь. Это означает, что выходное напряжение ОУ никогда не превыиьает значений хи»аь. Значения напряжений насыщения +и„,ь, — и, ь незначительно меньше ( 1 В) питающих напряжений схемы +отсс и — Ъдп. Напряжения насьпцения приводятся в технических характеристиках ОУ. Коэффициент усиления А обычно очень велик, так что график передаточной характеристики по напряжению почти вертикальный.
Частпотнал характперистика и произведение коэффициента усиления на иьирину полосьь пропускания Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой петлей ОС зависит от частоты. Типичный график этой зависимости, известный как частотная характеристика, изображен на рис. 13.26.
Для большинства ОУ ко эффициент усиления с разомкнутой петлей ОС постоянен только в очень узком диапазоне — 5-10 Гц. По этой причине ОУ в линейных схемах без обратной связи применяются редко. Чтобы улучшить разрешение графика в широкой полосе частот, коэффициент усиления обычно выражают в децибелах, а частоту откладывают по логарифмической шкале. ПРи увеличении частоты коэффициент усиления падает. Рис. 13.26. Типичная характеристи- Усиление ка зависимости коэффициента усияе- с Разомкнттой ния от частоты петлей ОС 1 1О 10э 10з 104 10я 10е Частота(ГЧ) У большинства ОУ коэффициент усиления падает со скоростью 20 дБ на каждое 10-кратное изменение частоты ( — 20 дБ/декада).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
