Л.Г. Прохоров, С.Е. Стрыгин - Операционный усилитель (1119789)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский государственный университетим М.В. ЛомоносоваФизический факультетЛ.Г. Прохоров, С.Е. СтрыгинОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬМетодическая разработка для „Практикума по радиофизике“Москва 2016 г.УДК 621.375.123:621.382.333Печатается по решению кафедры физики колебанийфизического факультета МГУЛ.Г. Прохоров, С.Е. СтрыгинОперационный усилитель. Методическая разработка для „Практикумапо радиофизике“. - М., изд.

физического факультета МГУ, 2016, с. 23Методическая разработка предназначена для студентов 3 курса физического факультета МГУ, выполняющих задачи в „Практикуме по радиофизике“. В разработке изучаются характеристики операционных усилителей,типы обратных связей в усилителях, исследуются усилители с разными частотными характеристиками и полосами усиления на основе операционныхусилителей.Объем 1.3 п.л.Тираж 50 экз.Заказ №Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультетаМГУ им. М.В.Ломоносова21ВведениеЗадача усиления электрических сигналов часто встречается в самых различных устройствах — от мобильных телефонов до сверхчувствительныхизмерительных установок.

В большом числе случаев для решения такихзадач не нужно собирать усилитель самостоятельно (как это делалось в лабораторной работе „Усилитель низкой частоты на транзисторе“), а можноиспользовать уже готовый. Часто самым разумным вариантом является использование усилителя в виде микросхемы. Обычно такой усилитель имеет достаточно сложную внутреннюю схему, содержит несколько десятковтранзисторов и оптимизирован для различных применений. Сочетание минимального веса и габаритов, а также простота использования делают применение микросхем гораздо более предпочтительным, чем самостоятельноеизготовление усилителя на транзисторах.

Наиболее часто использующийсятип усилительных микросхем — операционные усилители. Название «операционный» возникло исторически, так как изначально они использовались ваналоговых вычислительных машинах для осуществления математическихопераций.2Операционные усилителиОперационным усилителем (ОУ) называют дифференциальныйусилитель постоянного тока с очень большим собственным коэффициентом усиления и несимметричным выходом.

Почти всегдаимеется в виду исполнение такого усилителя в виде микросхемы.Разберем это определение подробнее. «Дифференциальный» означает, что у такого усилителя есть два входа, а усиливаемым сигналом является разность потенциалов между этими входами. Один из входов обознача3ется знаком ’+’ и называется неинвертирующим, другой обозначается ’–’и называется инвертирующим (иногда инвертирующий вход обозначаетсякружочком). Входное напряжение усилителя определяется как разность потенциалов между неинвертирующим и инвертирующим входами.

Соответственно, при постоянном положительном потенциале на неинвертирующемвходе при заземленном другом входе выходное напряжение также положительно, а при положительном потенциале на инвертирующем входе при заземленном неинвертирующем входе – выходное напряжение отрицательно.«Усилителем постоянного тока» называется усилитель, который можетработать как с переменными, так и с постоянными сигналами (не „обрезает“ постоянную составляющую).

Усилителями с «несимметричным выходом» называют усилители, у которых выходное напряжение снимаетсямежду единственной выходной клеммой и «землей». Отметим, что кромеуже упомянутых двух входов, одного выхода и „земли“ к операционномуусилителю необходимо подключать питание (обычно двухполярное), которое необходимо для преобразования энергии источника питания в энергиюсигнала.Рассмотрим типичные характеристики операционных усилителей.Собственный коэффициент усиления операционного усилителяK̃o (f ) (см.

определение в лабораторной работе „УНЧ на транзисторе“) обычно составляет 104 − 107 на низких частотах (до 100 Гц) и уменьшается сувеличением частоты. Столь большой коэффициент усиления приводит ктому, что операционные усилители почти всегда используются с цепью обратной связи.

Введение обратной связи позволяет создать усилитель с нужным коэффициентом усиления, при необходимости — c частотно-зависимымили переменным (обратные связи будут подробно разобраны в следующемразделе).4Входным сопротивлением усилителя называют отношение приложенного к входу напряжения к силе тока на входе усилителя.

В большинстве применений желательно иметь максимально большое входное сопротивление, как у идеального вольтметра. Типичное значение входного сопротивления ОУ — от 100 МОм и выше. Входное сопротивление электрометрических ОУ может достигать 1015 Ом. Из-за столь большого входногосопротивления в большинстве случаев входной ток ОУ можно считать нулевым.Выходное сопротивление определяется как отношение изменения выходного напряжения к изменению силы выходного тока (аналогично внутреннему сопротивлению батареи или источника напряжения).

Крайне желательно чтобы выходное напряжение не менялось при изменении нагрузки, поэтому в ОУ выходное сопротивление делается достаточно малым. Типичное выходное сопротивление ОУ составляет 10 – 100 Ом. Кроме выходного сопротивления, для описания мощности выходного сигнала, которуюможет обеспечить операционный усилитель, может использоваться максимальный выходной ток операционного усилителя и минимальноедопустимое сопротивление нагрузки.Предельная скорость изменения выходного напряжения составляет обычно 1 – 1000 В/мкс. Она может приводить к искажениям высокочастотных сигналов большой амплитуды.У идеального операционного усилителя: собственный коэффициент усиления K̃o и входное сопротивление Rвх стремятся к бесконечности,выходное сопротивление Rвых = 0, скорость нарастания напряжения бесконечно большая.Операционный усилитель обозначается треугольником.

Несколько вариантов того, как это может выглядеть в схеме, приведено на рис. 1. Инвер5тирующий вход обозначается знаком ’-’ или кружочком, неинвертирующийвход обозначается знаком ’+’ или не подписывается. Выход всегда расположен справа, обычно — в вершине треугольника. Питание усилителя обычнорасположено сверху и снизу и обозначается ±U или ±E. Часто на принципиальных схемах провода питания и заземления ОУ не изображаются,предполагается, что они подключены к источнику питания.Рис.

1: Обозначения операционных усилителейСтоит отметить, что ОУ обладает нелинейностью, то есть существуетнелинейная зависимость выходного напряжения от входного. Поэтому коэффициент усиления зависит также и от амплитуды напряжения входногосигнала, что необходимо учитывать при усилении сигналов([3], с.109).3Обратные связи в усилителяхОбратной связью в усилителях называют передачу части энергиивыходного сигнала (напряжения или тока) на вход усилителя. Использование обратных связей позволяет создать на основе ОУ схему с необходимыми свойствами: усилитель с выбранным коэффициентом усиленияи определенной частотной зависимостью, генератор переменного напряжения, активный фильтр и многое другое.6e o (ω),Рассмотрим усилитель с собственным коэффициентом усиления Keохваченный цепью обратной связи с коэффициентом передачи B(ω)(рис.

2).eeoc (ω) – сигнал обратнойЗдесь X(ω)– входной сигнал, Ye (ω) – выходной, Xсвязи, ε̃(ω) – сигнал на входе в усилитель. Если сигнал обратной связипри сложении с входным сигналом уменьшает сигнал воздействия ε̃, тообратная связь называется отрицательной, а если увеличивает – то положительной. Для гармонических сигналов это может быть сформулированоe и сигналом на выхочерез разность фаз δφ между входным сигналом Xeoc . Сигналы Xeoc и Xe складываются синфазно,де цепи обратной связи Xeoc и Xe „весли разность фаз между ними δφ близка к нулю (т.е. когда Xeoc и Xe „в протифазе“), и вычитаются, если δφ близка к π (т.е.

когда Xвофазе“). Соответственно, обратная связь является положительной, если0 ≤ |δφ| < π/2, и отрицательной, если π/2 < |δφ| ≤ π. Естественно, чтодля гармонических сигналов эти условия должны выполняться с точностьюдо ±2πn (n = 0, 1, 2, . . . ). Вообще, обратная связь, увеличивающаякоэффициент усиления, считается положительной, в противномслучае — отрицательной.e B (ω) усилителя с отрицательной обНайдем коэффициент передачи Ke B (ω) — коэффициратной связью, изображенного на рис. 2. Отметим, что Kент усиления для всей схемы — является отношением выходного напряжеe B = Ye /X.e Зависимость модуля коэфния к входному напряжению схемы Ke B (ω)| от частоты называется амплитудно-частотнойфициента усиления |Ke B (ω) — фазо-частотной характехарактеристикой (АЧХ) усилителя, а argKe o (ω)ристикой (ФЧХ) усилителя.

Собственный же коэффициент усиления Kусилителя, охваченного обратной связью, равен отношению выходного сигe o = Ye /eнала и сигнала на входе усилителя Kε.Для приведенной на рисунке схемы будут выполняться следующие урав7Рис. 2: Усилитель, охваченный цепью обратной связиe +Xeoc , Ye = Ke o · εe, Xeoc = Be Ye .нения: εe = XОтсюда получаем:ee o (ω)eKe B (ω) = Y = Ko εe =.Kee Yee Ke o (ω)Xεe − B1 − B(ω)(1)e = π и arg(Ke o) =В случае отрицательной обратной связи (считая arg(B)0) можно записать это уравнение в виде:e B (ω) =Ke o (ω)K.e Ke o (ω)|1 + |B(ω)(2)Из этого уравнения видно, что при наличии отрицательной обратной связи(ООС) коэффициент передачи уменьшается. Причем,eKe o | 1 (в этом случае обратная связь называется глубокой), коесли |Be B ' 1/|B|e зависит от параметров цепи обратнойэффициент передачи Kсвязи.

Отметим, что в результате этого коэффициент передачи усилителя становится существенно более стабильным. Для примера рассмотримусилитель на основе ОУ MCP6022 с отрицательной обратной связьюe = −0, 1. Коэффициент усиления ОУ в диапазоне от 10 Гц до 10 кГцBe o = 106 (10 Гц) до Ke o = 103 (10 кГц).меняется на три порядка: от KКоэффициент передачи у этого усилителя с обратной связью будет изменяться в этом диапазоне частот всего на 1%.В ряде случаев необходимо учитывать, что наличие обратной связи меняет входное и выходное сопротивления усилителя ([1], c.145; [3], c. 95).8Использование ООС вместе с операционными усилителями позволяетотносительно просто создавать усилитель с заданным коэффициентом усиления и желаемой частотной характеристикой, при необходимости – изменяемыми за счет переменных элементов в цепи обратной связи (обычно –подстроечных резисторов).e B | ' 1/|B|eОбратим внимание на то, что приближенное соотношение |Kформально будет справедливо и при положительной обратной связи.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги