Операционные усилители

Содержание

Введение…………………………………………………………………...2

1. Операционные усилители: общие сведения………………………….3
1. Обозначение ОУ на принципиальных схемах………………...4
2. Подключение ОУ к источнику питания……………………….5
3. Входное и выходное напряжения………………………………5
4. Два правила, справедливые для идеального ОУ………………7
5. Идеальный и реальный ОУ……………………………………...8
6. Параметры и характеристики ОУ………………………………8
2. Применение операционных усилителей……………………………..11
1. ОУ в аналоговой схемотехнике……………………………….11
2. Отрицательная обратная связь…………………………………12

         Заключение…………………………………………………………………14

         Список использованной литературы……………………………………..15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят  широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе  и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального  напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент  усиления синфазного сигнала равен  нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

Параметры реальных ОУ несколько  хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного  усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы  и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве.

 

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ  УСИЛИТЕЛИ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что  первоначально применялись для  выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в  аналоговой схемотехнике. В настоящее  время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем  и по своим размерам и цене практически  не отличаются от отдельно взятого  транзистора. Благодаря практически  идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно  проще, чем на отдельных транзисторах.

 

 

Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК), рис. 1.1.

 

 

1. Обозначение ОУ на принципиальных схемах.

         Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на рис. 1.2 (1 – инвертирующий вход, 2 – неинвертирующий вход, 3 – выход, 4 и 5 – выводы для подключения источника питания).

Многие ОУ дополнительно  имеют несколько выводов, не несущих  функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции  АЧХ (метки FC), цепи для подключения  элементов балансировки по постоянному  току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (^) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

 

 

2. Подключение ОУ к источнику питания.

         В общем случае для работы операционного усилителя требуется двухполярный (расщепленный) источник питания; типичные значения напряжений источника составляют ±6 В; ±12 В; ±15 В (иногда ±18 В). Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке представлена на рис. 1.3.

 

 

В ряде случаев для питания  ОУ используется несимметричное питание, например +12 и –6 В, или даже однополярное питание, например, +30 В и земля. Так  как в представленной схеме земля  не подключена к ОУ, токи возвращаются от ОУ к источнику питания через  внешние (навесные) элементы схемы (в  нашем случае это сопротивление  нагрузки R_H).

3. Входное и выходное напряжения.

         Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах , где – напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:

где K – коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что  (напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (–)), тогда выходное напряжение положительно, рис. 1.4,а.

В случае, если (напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (–)), выходное напряжение отрицательно, рис. 1.4,б.

Общая зависимость  представлена на рис. 1.5. Выходное напряжение линейно зависит от лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от до ) и не может превышать величины U_НАС.

 

 

Рис. 1.5. Амплитудная характеристика операционного усилителя

 

4. Два правила, справедливые для идеального ОУ.

Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение ), разность напряжений между его входами равна нулю ( ).

Для того, чтобы ОУ работал  в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что  будучи охвачен ООС операционный усилитель сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами.

ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным  сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно  считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.

Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.

 

 

5. Идеальный и реальный ОУ.

 Для идеального ОУ  справедливо: 

• Коэффициент усиления дифференциального сигнала K бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.
• Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) K_СИНФ равен нулю.
• Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.
• Напряжение смещения равно нулю.
• Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
• Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует.

Параметры реального ОУ несколько  хуже. Однако в большинстве случаев  для анализа схем на операционных усилителях можно использовать оба  правила, справедливые для идеального ОУ. Знание реальных значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить  погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретной схеме.

6. Параметры и характеристики ОУ.

          Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относятся: напряжение смещения; средний входной  ток; разность входных токов; входные  сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения; температурные дрейфы среднего входного тока и разности входных  токов; напряжение шумов, приведенное  ко входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения.

Напряжение  смещения Е_СМ – дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю.

Средний входной ток I_ВХ – среднеарифметическое значение токов обоих входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении U_ВХ, при котором выходное напряжение U_ВЫХ равно 0. Эти токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, входные токи – это токи, потребляемые входами ОУ.

Разность  входных токов ΔI_ВХ – это разность токов, потребляемых входами ОУ.

Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{ВХ. ДИФ} – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом (заземлен).

Входное сопротивление для синфазного сигнала R_{ВХ. СИНФ} характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_{ОС СИНФ} определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

С учетом (1.5) напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной  подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно  .

Для каждого ОУ указывается  диапазон изменения U_{ВХ. ДИФ} и U_{ВХ. СИНФ}, превышение предельных значений которых может привести к потере работоспособности усилителя.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных  токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и составляют мкВ/°С и нА/°С. Наиболее важно учитывать данные параметры в прецизионных устройствах, так как компенсация их влияния на выходное напряжение затруднительна. Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.

Коэффициент влияния нестабильности источника  питания К_П – отношение изменения напряжения смещения ΔЕ_СМ к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ΔU_П.

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.

Коэффициент усиления по напряжению ОУ К – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

К = ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ.

Частота единичного усиления f₁ - это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.

Скорость  нарастания выходного напряжения - это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Скорость нарастания определяется при подаче на вход усилителя импульса напряжения прямоугольной формы.

 

2. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ  УСИЛИТЕЛЕЙ

2.1. ОУ в аналоговой  схемотехнике.

В настоящее время в  электронике широкое распространение  получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании  микропроцессоров, проникли во множество  областей радиоэлектроники и привели  к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается  развитие аналоговой электроники, поскольку  по мере развития систем цифровой обработки  повышаются требования к качеству входных  и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом  устройств аналоговой обработки  сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной  информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и  умением проектировать устройства на основе ОУ). В настоящем разделе  рассматриваются некоторые основные применения ОУ в аналоговой схемотехнике.

 

 

 

 

 

 

2.2. Отрицательная обратная связь.

 Во многих случаях  ОУ применяется с отрицательной  обратной связью. При этом характеристики  схемы не зависят от коэффициента  усиления операционного усилителя  без обратной связи К, а определяются  только параметрами внешних элементов.

Принцип введения отрицательной  обратной связи иллюстрируется рис. 2.1

 

Рис. 2.1. Принцип  отрицательной обратной связи

 

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи  ко входу усилителя. Коэффициент  обратной связи β показывает, какая  часть выходного напряжения подается на вход; он может принимать значения от нуля до единицы.

Если, как это показано на рис. 2.1, напряжение обратной связи  вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа  схемы, представленной на рис. 2.1, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_ВХ. В первый момент выходное напряжение U_ВЫХ, а следовательно, и напряжение обратной связи βU_ВЫХ также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит U_Д = U_ВХ. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления K_U, то величина U_ВЫХ быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина βU_ВЫХ. Это приведет к уменьшению напряжения U_Д, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ:

U_ВЫХ =K_UU_Д =K_U(U_ВХ – βU_ВЫХ).

Решив это уравнение относительно U_ВЫХ, получим:

K=U_ВЫХ /U_ВХ =K_U/(1 + βK_U)

При βK_U >>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит:

K = 1/β

Таким образом, из этого соотношения  следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой  резистивный делитель напряжения. При  этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом  ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет  реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

 

Заключение

         Операционный усилитель – универсальный функциональный  элемент,  широко используемый   в   современных   схемах   формирования   и    преобразования информационных сигналов различного назначения как  в  аналоговой,  так  и  в цифровой технике.

         Изложенное показывает целесообразность изучения  принципов построения, особенностей работы  и  применения  операционных  усилителей  как  элементов различных устройств и систем обработки информационных сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Операционные усилители и компараторы. Справочник: — Москва, Додэка XXI, 2002 г.- 560 с.
2. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства. - Москва, Радио и связь, 2001 г.
3. Остапенко Г. С. Усилительные устройства. - Москва, Радио и связь, 2003 г.
4. Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. - Москва, Радио и связь, 2000 г.