Краткие лекции по ЭиМ (1166441), страница 22

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

Текст из файла (страница 22)

Для необходимогоизменениячастотныххарактеристикиспользуюткорректирующиеустройства (конденсаторы или RС-цепочки). Выводы операционногоусилителя, предназначенные для подключения корректирующих цепей,обозначают через FС (от англ. frequency correction). Операционныйусилитель К140УД8 не требует использования внешних корректирующихцепей.Простейшаяэквивалентнаясхемаоперационногоусилителяизображена на рис. 1.145. Она может использоваться только на низкихчастотах (или на постоянном токе). Функция f(uдиф) отражает особенностипередаточной характеристики операционного усилителя. Часто принимают,Rвх  (i  i  0), Rвых  0, К  .ОглавлениеСхемотехника операционных усилителейВ состав операционных усилителей входит несколько каскадов.Наиболее простое схемное решение имеет операционный усилительК140УД1 (рис.

3.50), изготовленный на кремниевой пластине размеромl,l x l,l мм и содержащий 9 транзисторов. Данная схема обеспечиваетсравнительно невысокий коэффициент усиления Ku = 2000, дает ослаблениесинфазного сигнала Kосл сф = 60 дБ и имеет невысокое входноесопротивление Rвх = 4 кОм.Последующиеразработкипозволилиулучшитьпараметрыоперационного усилителя за счет усложнения схемы. Так, например, вК140УД7 входное сопротивление составляет 400 кОм при входном токе200 нА, коэффициент ослабления синфазного сигнала Косл сф = 70 дБ.Промышленностьювыпускаетсябольшоеразнообразиеоперационных усилителей, которые разделяют на две группы: общего ичастного применения. Операционные усилители частного примененияразделяют на быстродействующие (скорость нарастания выходногонапряжения Vu = 50 ...

70 В/мкс), прецизионные (обладают высокимKu = 2000, высоким Косл сф = 120 дБ, малым Uсм = 1 мВ), микромощные(питаются от источников ±3 В и ±6 В и потребляют ток менее 1 мА), мощные(обеспечивают выходной ток до 1 А) и высоковольтные.Основные схемы на операционных усилителяхКак уже отмечалось, операционные усилители в настоящее времяиспользуются в самых различных электронных устройствах.

Их широкоприменяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники.В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемына основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знатькаждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такиесхемы рассматриваются ниже.Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручногоанализа электронных схем на основе операционных усилителей. Этозначительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройствэлектроники и будет способствовать получению достоверных результатовмашинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на рядедопущений,принимаемыхвпредположении,чтоиспользуемыеоперационные усилители достаточно близки к идеальным.

ПрактикаОглавлениерасчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений,имеют вполне приемлемую погрешность.Примем следующие допущения:1. Входное сопротивление операционного усилителя равнобесконечности, токи входных электродов равны2. НУЛЮ (Дв*-> со, /+ = /_ = 0).3. Выходное сопротивление операционного усилителя равнонулю, т. е. операционный усилитель со стороны выходаявляется идеальным источником напряжения4.

(Кеых= 0).5. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усилениядифференциальногосигнала)равенбесконечности,адифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (приэтом не допускается закорачивания выводов операционногоусилителя).6. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулюнапряжению питания, а знак определяется полярностьювходного напряжения.

Полезно обратить внимание на тот факт,что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзявсегда считать равным нулю.7. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.8. Напряжение смещения нуля равно нулю.Видвыполняемыхоперационнымиусилителямиоперацийопределяется внешними по отношению к нему элементами. От параметровоперационного усилителя зависит только точность выполняемых операций.Рассмотрим наиболее распространенные схемы на основе операционногоусилителя.Инвертирующий усилитель на основе ОУНа рис.

3.51 изображена схема инвертирующего усилителя наидеальном операционном усилителе, который осуществляет усилениеаналоговых сигналов с поворотом фазы на 1800.Во входной цепи протекает переменный ток, действующее значениекоторого равноUUI   I  вх   вых12RR12 ,(3. 69)т. к. идеальный операционныйусилитель имеет бесконечно большоевходное сопротивление.RU вых  U вх 2R1 .

Следовательно, коэффициент усиленияТогдасхемы:RKu   2R1 (3. 70)Отсюда следует, что Ku определяется внешними резисторами R1 и R2.В современных операционных усилителях Rвх и Ku достаточно велики,поэтому расчет по выражению (3. 70) обеспечивает достаточную точностьпри практических расчетах.Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя навыходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резисторс сопротивлением R3 (рис. 2.26), которое определяется из выраженияОглавлениеВходное сопротивление инвертирующего усилителя на низкихчастотахзначительнонижесобственноговходногосопротивленияоперационного усилителя.

Это полностью соответствует сделанному раннеевыводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющаяместо в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что идиф » 0,легко заметить, что входное сопротивление усилителя на низких частотахприблизительно равно /?).Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низкихчастотах Reux,oc существенно меньше выходного сопротивления на низкихчастотах Raux собственно операционного усилителя.

Это являетсяследствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.Можно показать, чтогде К — коэффициент усиления по напряжению операционногоусилителя.Неинвертирующий усилитель на основе ОУНарис.3.неинвертирующая52изображенасхеманаоперационном усилителе. В этой схемевходнойсигналподаетсянанеинвертирующий вход, а напряжениеобратной связи на инвертирующий.Величина напряжения обратнойсвязи:R1U оос  U выхR R12 (3.71)Так как коэффициент усилениядостаточно высок, можно считать, чтоU вх  U оос ,тогдакоэффициентусиления схемы:RKu  1  2R1 (3. 72)Если R2 = 0, то Ku = 1, то схема неинвертирующего усилителяпревращается в повторитель напряжения с высоким входным и низкимвыходным сопротивлением (рис.

3.53).Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 2.27), где имеетместо последовательная отрицательная связь по напряжению. Вначалевыполним анализ схе-Оглавлениемы, используя принятые допущения, а затем выполним анализ наоснове выражений, полученных для усилителя с указанной обратнойсвязью.В соответствии с ранее принятыми допущениями входные токи ОУравны нулю, т. е. /_ = /+ = 0 и, следовательно, /| = /2.Предположим, что операционный усилитель работает в режимеусиления, тогда идиф = 0.

На основании второго закона Кирхгофа получаемДалее имеем следующие выражения:Такимобразом,неинвертирующийусилительхарактеризуетсякоэффициентом усиления по напряжениюВоспользуемся общим выражением для коэффициента усиленияусилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связьюпо напряжению. Предположим, что используется входной сигнал низкойчастоты, и поэтому будем использовать вещественные коэффициенты К,Ри Ки ос. В соответствии с общим выражениемКоэффициент Р, как можно заметить из рис. 2.27, определяетсявыражениемчто совпадает с результатом, полученным на основании используемыхдопущений.Пусть, например, R\ = 2 кОм, 4 кОм и = 2 В.

ТогдаОглавлениепричем при К-» о° RexMC 00 • АналогичноОбратимся к общим выражениям для входного и выходногосопротивлений. Предполагая, что усилитель работает на низкой частоте,используем вещественные сопротивления Rex, Rex.oc, ReuX, Reux ocПолучаем, что входное сопротивление рассматриваемого усилителяОчевидно, при К —» Reblx —» 0. Заметим, что полученное выражениесовпадает с приведенным выше выражением для усилителя с параллельнойотрицательной обратной связью.Навходахнеинвертирующемоперационногоусилителе,усилителя,имеетсяиспользующегосясинфазныйсигнал,вравныйнапряжению ивх. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующемусилителе синфазный сигнал отсутствует.Повторитель напряжения на основе ОУСхема повторителя (рис.

2.28) легко может быть получена из схемынеинвертирующего усилителя при—»«о, R2—¥0. Здесь предполагается, что операционный усилительработает в режиме усиления (идиф ~ 0). Исходя из полученного вышеобщего выражения для напряжения ивых или используя второй законКирхгофа, получаемСумматор напряжений (инвертирующий сумматор)Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 2.29.ОглавлениеПредположим, что операционный усилитель работает в режимеусиления, тогда идиф ~ 0.ПУчитывая, что /_ = /+ = 0, получим = *ос • ПриУ=1идиф ~ 0 получимНа основании этих выражений после несложных преобразований,аналогичных выполненным для инвертирующего усилителя, получаемДля уменьшения влияния входных токов операционного усилителя вцепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлениемВычитающийусилитель(усилительсдифференциальнымвходом)В вычитающем усилителе (рис. 2.30) один входной сигнал подается наинвертирующий вход, а второй — на неинвертирующий.

Характеристики

Список файлов книги