Лабораторная работа № 6
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
1.1. ОСОБЕННОСТИ И СОСТАВ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Операционный усилитель - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному усилителю». С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства:
1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (A →∞);
2) бесконечное полное входное сопротивление (Z вх →∞);
3) нулевое полное выходное сопротивление (Z вых →0);
4) равенство нулю выходного напряжения (U вых= 0) при равных напряжениях на входах (U 1 = U 2);
5) бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).
На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.
Первый каскад операционного усилителя - это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (т. е. U 2- U 1 на рис. 1.1.) и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы).
Кроме того, дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируются чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.
Рис.1.2. Блок-схема операционногоусилителя (ОУ)
За входным каскадом, как показано на рис.1.2, следуют один или несколько промежуточных. Они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току. Последовательное усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току - для обеспечения тока, достаточного для работы
оконечного каскада без того, чтобы нагрузить входной каскад.
В промежуточных каскадах могут быть использованы как дифференциальные, так и однополюсные схемы.
Оконечный каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Кроме того, этот каскад должен иметь достаточно высокое полное входное сопротивление, чтобы не нагружать последний из промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используется эмиттерный повторитель.
ВЫВОДЫИ ПАРАМЕТРЫОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
На рис. 1.4. показаны внешние выводы операционного усилителя:
Рис.1.4. Цоколевка операционного усилителя
(1) +U, -U. Выводы для напряжений питания.
(2) (FC) Частотная коррекция. Эти выводы (иногда их называют выводами стабилизации, задержки или сдвига фазы) используются для предотвращения генерации операционного усилителя, если последний не имеет внутренней коррекции.
(3) Выход. Вывод, с которого снимается усиленное напряжение.
(4) Инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал на выходе окажется сдвинутым по фазе на 180° относительно сигнала на входе.
(5) Неинвертирующий вход. Если инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то сигнал на выходе окажется синфазным с сигналом на входе.
(NC) Выводы для балансировки нуля.
Операционный усилитель имеет следующие основные параметры:
1. Коэффициент усиления без обратной связи ( А ). Коэффициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи обычно равен нескольким тысячам. Называется также полным коэффициентом усиления по напряжению.
2. Входное напряжение сдвига (U сдв ). Небольшие нежелательные напряжения, возникающие внутри усилителя, служат причиной появления на его выходе некоторого ненулевого напряжения при нулевом напряжении на обоих входах. Является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база транзисторов. Обычно U сдв равно нескольким милливольтам.
3. Входной ток смещения (I см ). Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя; ток базы, который должен быть обеспечен для входного транзистора.
4. Входной ток сдвига (I сдв ). Разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов операционного усилителя. Появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току ( β ) входных транзисторов. Если I см 1 - ток, необходимый для питания базы входного транзистора на инвертирующем входе, а I см 2 - ток, необходимый для питания базы входного транзистора на неинвертирующем входе, то I сдв = I см 1- I см 2 (рис.1.6). Входной ток сдвига меняется приблизительно также, как входное напряжение, поэтому ток сдвига является переменной величиной. Обычно I сдв лежит в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.
5. Входное сопротивление (R вх ). Сопротивление усилителя по отношению ко входному сигналу. Входное сопротивление R вх может достигать нескольких сотен мегомов. Следует различать дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т. е. сопротивление между объединенными обоими выводами входов и землей. В описаниях микросхем обычно не указывается, какой из этих параметров имеется в виду, и пишется просто R вх.
6. Выходное сопротивление (R вых ). Внутреннее сопротивление усилителя, о котором можно судить по напряжению на его выходе. Обычно R вых, не превосходит нескольких сотен омов.
7. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений. Характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.
8. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение. Показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питания (+ U и - U одновременно) на 1 В. Обычно дается в микровольтах на вольт.
9. Входная емкость (C вх ). Емкость между входными выводами и землей.
10. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем.
11. Потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки), рассеиваемая операционным усилителем.
12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (V). Максимальная скорость изменения выходного напряжения, данная в вольтах на микросекунду.
13. Переходная характеристика. Сигнал на выходе операционного усилителя при подаче на его вход ступеньки напряжения. Время нарастания и величина выброса выходного напряжения даются для стандартного изменения входного напряжения.
Повторитель напряжения
Иногда при построении различных электронных схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) единичные коэффициенты усиления (повторители).
Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель, согласно (11) при (Кдел = 1) можно реализовать 3-мя способами (рисунок 5):
Рисунок 5. Неинвертирующие повторители напряжения на основе ОУ
В схеме на рис. 1.6. Uвых подается непосредственно на инвертирующий вход. При этом окажется, что Uвых − Uвх = Uд. Если вспомнить, что напряжение между входными выводами Uд −это то напряжение, которое усиливается с коэффициентом усиления усилителя А, то понятно, что при подаче сигнала на неинвертирующий вход напряжение на выходе усилителя изменится так, что окажется Uд =Uвых /A, после чего выходное напряжение будет оставаться постоянным, пока не изменится входной сигнал. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, Uд будет очень мало, поэтому Uвых окажется приблизительно равным Uвх.
а б
Рис.1.6. Повторитель напряжения
Например, если на повторитель напряжения (рис.1.6.) подать напряжение 1В, напряжение на выходе начнет расти, поскольку напряжение +1В подано на неинвертирующий вход. Напряжение на выходе будет расти до тех пор, пока не окажется, что U вых= U вх или U д≈ 0. Если коэффициент усиления операционного усилителя A =10000, напряжение на выходе перестанет расти,
Инвертирующий усилитель
На рисунке 2 приведена схема простейшего инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход заземлен, т.е. находится под нулевым напряжением (Uвх2 рисунка 1 равно нулю). Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор RОС. Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.
Рисунок 2. Инвертирующий усилитель
В соответствии с выражением (3)
UA = UB = 0 (5)
Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – “земли”. Поэтому эта точка получила наименование “виртуальной земли”.
Используя полученное значение, находим для токов, входящих в 
(4)
; (6)
. (7)
Приравнивая их и учитывая, что К = Uвых / Uвх, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя
, (8)
где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 1800 (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной.
Из (8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.
Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное (см. (1)) и выходное сопротивления усилителя. Величину последнего, в первом приближении, можно определить, используя понятие “виртуальная земля”. Так как напряжение в точке А равно нулю, то для источника входного сигнала “кажется”, что между его входами включен резистор R1, т.е.
Rвх и ус = R1. (9)
Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рисунке приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ.
Рисунок 3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя
Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.
Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:
. (10)