Операционные усилители
| Операционные усилители - это УПТ с дифференциальным входом и общим несимметричным | ||||||
| выходом, которые имеют большой коэффициент усиления K | = 10 | ¸10 | ||||
| ОУ | ||||||
| и обычно используются с различными обратными связями. Название этих усилителей связано |
с тем, что первоначально предполагалось их применять для выполнения различных
| математических операций над аналоговыми сигналами таких как æ | d | , ò | ö | |
| ç+,-, | ÷ | |||
| dt | ||||
| è | ø |
После того, как такие усилители были изготовлены в виде интегральных схем они оказались чрезвычайно дешевыми и применяются для выполнения любых операций где требуется усиление электрического сигнала. Это наиболее распространенная аналоговая интегральная схема.
9.1. Условное обозначение и схема включения ОУ по постоянному току
В учебной и научной литературе ОУ обозначают треугольником с пятью, как минимум, выводами.
Выводы ОУ имеют следующие названия:
1 – инвертирующий вход (обозначен знаком «-» или «о»), U–вх – напряжение на инвертирующем входе. Сигнал на этом входе и выходе находятся в противофазе. 2 - неинвертирующий вход (обозначен знаком «+»), U+вх - напряжение на неинвертирующем входе. Сигнал на этом входе и выходе находятся в одной фазе.
| Выводы 3, 4, обозначенные, | + | предназначены для подключения питающего | |
| напряжения. | - | ||
| E П, ЕП |
Обычно ОУ требует двуполярного напряжения питания.
5 – выход, к нему подключается сопротивление нагрузки.
Основное уравнение ОУ, которое показывает связь между входными и выходнымнапряжениями записывается так Uвых =Коу(U+вх–U–вх), где Коу–коэффициент усиления ОУ.
В технической литературе ОУ обозначается в виде прямоугольника. При этом Назначение выводов следующее:
1, 2 – входы ОУ.
3, 4 – для подключения питающего напряжения.
5 – вывод соединен с корпусом ОУ, его обозначается как заземление.
6 – выход ОУ.
7, 8 - выводы для подключения элементов частотной коррекции. Обычно ОУ имеет большой коэффициент усиления и работает в схемах с отрицательной обратной связью, а поэтому возможно его самовозбуждение. Для устранения самовозбуждения между выводами 7, 8 подключают корректирующий конденсатор Ск, который так корректирует ЧХ коэффициента усиления, что при введении отрицательной обратной связи схема на ОУ не возбудится, т.е. не превратится в генератор. Конкретные значение емкости Ск указывают в справочниках для ОУ. Многие ОУ не имеют внешнего конденсатора, он встроен в схему ОУ, такие ОУ называют с внутренней коррекцией.
9, 10 – предназначены для подключения элементов балансировки ОУ. ОУ считается сбалансированным, если Uвых =0, когда U+вх=U–вх=0,, однако это не всегда выполняется из-за технологического разброса параметров элементов схемы ОУ. Для устранения разбаланса, между выводами 9, 10, 4, включают переменный резистор Rбал с
помощью которого и достигается условие балансировки.11 – общая точка схемы ОУ.
9.2. Структурная схема ОУ
ОУ представляет собой многокаскадное устройство и состоит из следующих блоков:
ДУ – дифференциальный усилитель, предназначен для усиления дифференциальной и подавления синфазной составляющих входных сигналов.
УН – усилитель напряжения, обеспечивает основное усиление сигнала по напряжению.
КСУ – каскад сдвига уровня. Обеспечивает сдвиг усиленного входного сигнала по постоянной составляющей, что необходимо для нормальной работы усилителя мощности. На рис. показан сдвиг сигнала U2 по постоянной составляющей на величину U0.
УМ – усилитель мощности, он служит для увеличения нагрузочной способности ОУ, создавая на нагрузке сигнал необходимой мощности. Обычно он выполнен по двухтактной схеме с защитой от короткого замыкания.
Схема ОУ
Схемы основных узлов ОУ
9.3. Основные параметры и характеристики ОУ
ОУ имеет большое число параметров, которые можно разделить на
| следующие группы: | ||
| 1) | передаточные; | 4) частотные; |
| 2) | входные; | 5) динамические; |
| 3) | выходные; | 6) дрейфовые; |
1. Передаточные параметры.
Основными среди этих характеристик являются следующие:
1). Передаточная или амплитудная характеристика (АХ) - это зависимостьUвых =F(U+вх, U–вх). Эту функцию двух переменных обычно упрощают и рассматривают так как показано на рис. где,
1. Uвых =F(U+вх), при U–вх=0,
2. Uвых =F(U–вх), при U+вх =0.
| Линейная зависимость между | U | ВЫХ и входными сигналами наблюдается лишь при | |||||||||
| малых значениях U, когда U BX | вблизи нуля. При больших значениях | U | |||||||||
| BX | BX | ||||||||||
| ОУ переходит в состояние насыщения, т.е. его выходной сигнал принимает | |||||||||||
| напряжение близкое к напряжению питания | ì E | + | , U | > 0 | |||||||
| U | = í | ||||||||||
| П | BX | ||||||||||
| ВЫХ | î E | - | , U BX | < 0 | |||||||
| П |
Для сбалансированного ОУ АХ проходит через ноль. Реальный ОУ обычно разбалансирован, т.е. его АХ смещена относительно нуля.
Разбаланс ОУ характеризуется параметрами:
2) Напряжение сдвига – это UСДВ = U ВЫХ U BX - = U BX + =0
3) напряжение смещения нуля - UCM 0. Это такое входное напряжение,
которое надо подать на вход, чтобы устранить разбаланс ОУ.
| К передаточным параметрам относят также: | ||||||||||||||||||||||||
| 4). K | = | U | ВЫХ | - коэффициент усиления дифференцирующего сигнала. | ||||||||||||||||||||
| ОУдиф | ||||||||||||||||||||||||
| U | ||||||||||||||||||||||||
| BXдиф | ||||||||||||||||||||||||
| K | = | U | ВЫХ | |||||||||||||||||||||
| 5). | ОУСС | - коэффициент усиления синфазного сигнала. | ||||||||||||||||||||||
| U | ||||||||||||||||||||||||
| BXCC | ||||||||||||||||||||||||
| 6). | K | = | K | ОУдиф | - коэффициент ослабления синфазного сигнала. | |||||||||||||||||||
| KOCC | К | |||||||||||||||||||||||
| ОУСС | ||||||||||||||||||||||||
| 2. Входные параметры ОУ. | I | - | , I | + | ||||||||||||||||||||
| 1). Величины входных токов | BX | BX | . Они зависят от транзисторов входного каскада | |||||||||||||||||||||
| ì10 | -6 | ¸10 | -9 | A, Бип. Тр - р | ||||||||||||||||||||
| - | + | |||||||||||||||||||||||
| , I | = í | |||||||||||||||||||||||
| I BX | BX | -9 | ¸10 | -12 A, Пол. Тр - р | ||||||||||||||||||||
| î | ||||||||||||||||||||||||
| Входные токи создают на резисторах | R, R напряжения(рис.9),если | R, R не | ||||||||||||||||||||||
одинаковы, то на входе возникает дифференцирующая составляющая входного напряжения, которая будет усилена ОУ, что приведет к его разбалансу. Для устранения
| разбаланса ОУ за счет входных токов резисторы | R | , R | должны выбираться одинаково. 2). | |||||||||
| 2). Разность входных токов | D I | = I | + | - I | - | |||||||
| BX | BX | BX | ||||||||||
| 3). | U | - максимальное значение входного синфазного напряжения. | ||||||||||
| max cc |
4). Величина входного сопротивления: различают входное дифференциальное и входное синфазное сопротивление RBXдиф, RBXCC
3. Выходные параметры.
1). Выходное сопротивление ОУ Rвых. Обычно Rвых=(102 – 103)Ом. Однако, благодаря обратным связям Rвых оказывается
| значительно меньше. | = (E + | -1,5) B | |||
| 2). UВЫХ max - максимальная амплитуда выходного напряжения. U | ВЫХ max | ||||
| П | |||||
| 3). Максимальая величина выходного тока ( | IВЫХ max£10 мА -для ОУ широкого | ||||
| применения). |
4). Наличие защиты от КЗ.
5. Частотные параметры ОУ.
Их оценивают по графику зависимости коэффициента усиления от частоты.
| Эту зависимость обычно строят в логарифмическом масштабе и основные | |||
| частотные параметры следующие: | |||
| 1). | f | ГР -граничная частота-это частота,на которой коэффициент усиления | |
уменьшается в корень из двух раз, если график построен в линейном
масштабе,
| f | ® | K (f | ГР | ) | = | = K (f | ) @ 0,7 K | |||||
| ГР | K | ГР | ||||||||||
| или на 3дБ, если график построен в логарифмическом масштабе К(fгр)=К0- | |
| 3дБ. | |
| 2). f 1 - частота единичного усиления, это частота K (f 1) =1 | где или |
| К(f1)[дБ]=0 дБ | |
| Частотные параметры ОУ связаны соотношением f 1 = KОУ × f | ГР |
| 5. Динамические параметры ОУ. | |
| Они характеризуют быстродействие переключения ОУ и количественно |
| оцениваются следующими параметрами. | U | - U | ||||
| 1.Скорость нарастания выходного сигнала n = | ВЫХ | 0,9 | ВЫХ 0,1 | |||
| t | - t | |||||
| 0,9 | 0,1 | |||||
где t0.1 и t0.9 время достижения уровня UВЫХ.0,1 и UВЫХ.0,9 от стационарного значения принятого за единицу;
2. tуст -время установления выходного напряжения своего стационарногозначения с заданной точностью.
6. Дрейфовые параметры.
Они характеризуют зависимость перечисленных параметров от температуры
окружающей среды и от изменения напряжения питания.
Классификация ОУ по назначению
1). ОУ общего или широкого применения. Применяются наиболее часто,имеют средниезначения своих параметров среди ОУ.
2). Быстродействующие ОУ. Их применяют для усиления импульсных и широкополосныхсигналов. Для них характерно высокое значение скорости нарастания выходного напряжения
n > 100 B
мксек
3).Прецизионные ОУ. Это точно выполняющие преобразования над аналоговыми сигналами.
Для них характерно следующее:
| 1. K | > 10 | ; | 2. малый дрейф выходного напряжения. | |||
| ОУ | ||||||
| 4).Микромощные ОУ. Они имеют малую потребляемую мощность и малое питающее | ||||||
| напряжение | E | П | £ 3 B | |||
| . | ||||||
| Используются в | автономных устройствах, т.е. где существует ограничение по питанию |
(радиоприемники, слуховые аппараты и т.д.).
5).Программируемые ОУ. Они имеют добавочный вывод напряжение,на котором позволяет
| управлять коэффициентом усиления, частотой единичного усиления | f | , или потребляемой | ||
| мощностью P | ||||
| потр | ||||
9.5. Понятие об идеальном ОУ.
Операционном усилителе
Анализ устройств, содержащих операционный усилитель, значительно упрощается, если операционный усилитель считать идеальным. Под идеальным операционным усилителем понимают усилитель со следующими параметрами:
1.
| 2. | I | |
| 3. |
| K | ОУ | |||
| + | , I | |||
| ВХ | ||||
| R | ВЫХ |
| ® ¥ | ||
| - | ® 0 | |
| ВХ | ||
| ® 0 |
Входы идеального операционного усилителя можно считать виртуально коротко замкнутыми.
В электротехнике вводятся такие определения:
1.Две точки электрической цепи, потенциалы которых равны и сопротивление между которыми равно нулю(рис..) называются короткозамкнутыми (КЗ).
2. Две точки электрической цепи, потенциалы которых равны и сопротивление между которыми равно бесконечности (рис.), называются виртуально короткозамкнутыми (ВКЗ).
Вторым свойством обладают входы ОУ. Это следует, из соотношения что
| U + | - U - | = | U ВЫХ | = | EП | ® 0 | |
| ВХ | ВХ | KОУ ¥ | |||||
Последние означает, что входы ОУ виртуально замкнуты т.е.
U + = U -, а Rвх=∞ или Iвх оу=0.
ВХ ВХ