3625 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИ-ТЕЛЯ

Теоретическая часть

Введение

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью (ОС)[1] .

Решающий усилитель (РУ): функциональный узел, состоящий из операционного усилителя и внешних элементов, образующих цепи отрицательной и положительной обратной связи, и выполняющий операции над аналоговыми переменными.1

Название операционного усилителя связано с тем, что подобные усилители использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций: суммирования, дифференцирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ. Являясь законченным функциональным узлом, выполненным в виде интегральной схемы, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники [1, 2].

Широкое применение ОУ объясняется их высокими электрическими показателями, малыми габаритами, массой, удобством сопряжения между собой, высокой надежностью и небольшой стоимостью.

 

Обозначение и принцип действия ОУ

 

Большинство ОУ имеют симметричный вход и несимметричный выход (относительно земли). Поэтому в дальнейшем под ОУ будем понимать дифференциальный ОУ (входным каскадом такого усилителя служит дифференциальный каскад). Реальные ОУ обычно строятся на основе трехкаскадных усилителей постоянного тока, содержащих входной, согласующий и выходной каскады. В качестве входного и согласующего каскадов используются дифференциальные усилители, позволяющие уменьшить величину дрейфа усилителя, получить высокое усиление, высокое входное сопротивление и максимально подавить действующие на входе так называемые синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.д., за счёт применения схемы «токового зеркала».

На рис.1 приведены варианты обозначений ОУ. Пять клемм составляют минимальное число выводов, необходимое для описания принципа действия ОУ. Дополнительные выводы, необходимые для подключения внешних корректирующих цепей, показаны на рис. 12.

Каждый вывод ОУ имеет свое название. Инвертирующий вход (сокращенно И‑вход ) обозначается знаком “ - ” , а неинвертирующий вход (Н‑вход) – знаком “+”. Указанные обозначения входных зажимов никак не связаны с полярностью приложенных к ним напряжений Uи и Uн (они могут иметь произвольную полярность).

 

 

Рис.1

Питание ОУ осуществляется от двух источников постоянного напряжения  и . Два разнополярных источника необходимы для получения нулевого уровня выходного напряжения при отсутствии входных сигналов. Как правило, . Обычно в схемах источники питания ОУ не показывают.

ОУ усиливает разность напряжений, приложенных к его входам:

 

где - коэффициент усиления ОУ. Разность напряжений  называют дифференциальным сигналом. Если , то  и  для идеального ОУ (равные напряжения и называют при этом синфазными и обозначают ). В реальных ОУ коэффициенты передачи по инвертирующему и неинвертирующему входам отличаются и на выходе ОУ будет напряжение , где  - коэффициент передачи синфазного сигнала. ОУ конструируют таким образом, чтобы  был как можно меньше, а  - как можно больше.

 

Параметры и виды ОУ

 

Свойства реального ОУ описываются системой параметров [1-4]. Ниже приводятся определения некоторых из них.

Коэффициент усиления – отношение приращения значения выходного напряжения ОУ к вызвавшему это приращение значению входного напряжения.

Входное сопротивление . Различают дифференциальное входное сопротивление  и синфазное входное сопротивление . определяется как сопротивление между входами ОУ, а  - как сопротивление между соединёнными входами и корпусом.

Выходное сопротивление - это сопротивление ОУ, рассматриваемого как эквивалентный генератор.

Разность входных токов . Природа этого тока кроется, в основном, в различии коэффициентов передачи тока  транзисторов входного каскада ОУ. Численно он равен модулю разности входных токов .

Частота единичного усиления – частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ   К0=1, при разомкнутой ОС.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений () - коэффициент, равный отношению коэффициента передачи дифференциального сигнала к коэффициенту передачи  синфазного сигнала.

Напряжение смещения – значение постоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю. Оно обусловлено, в основном, неидентичностью эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального каскада ОУ, что приводит к нарушению условия  при

В таблице приведены основные параметры ОУ общего применения К153УД1А и широкополосного КМ1432УД4А.

При анализе РУ весьма удобно использовать так называемую«идеальную модель» ОУ (параметры идеального ОУ также сведены в таблицу). Возникающая при этом погрешность может быть учтена на следующем, более точном, этапе анализа

В настоящее время широко применяются следующие виды ОУ.

ОУ общего применения. Используют для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную погрешность порядка 1%. Характеризуются малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения Uсм – единицы мВ, температурный дрейф ∆Uсм/∆T – десятки мкВ/0 С, коэффициент усиления К0 – десятки тысяч, скорость нарастания ρ – от десятых долей до единиц В/мкс).

Быстродействующие широкополосные ОУ применяют для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они имеют высокую скорость нарастания выходного сигнала, малое время установления, большую частоту единичного усиления, а по остальным параметрам уступают ОУ общего применения.

Параметры ОУ

Идеального

K153УД1A

КМ1432УД4А

Коэффициент усиления

 

80*10В/В

200 В/мА

Входное сопротивление , кОм

 

200

Входное сопротивление для синфазных входных напряжений , кОм

 

300

Выходное сопротивление , Ом

0

200

10

Частота единичного усиления f1, МГц

 

5

300

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, дБ

 

65-90

55

Напряжение смещения , мВ

0

 

<±15

Температурный дрейф напряжения смещения , мкВ/С

0

 

60

Входной ток , мкА

0

 

<20

Разность входных токов , мкА

0

0,5

10

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения , В/мкс

 

0,2

1000

Прецизионные (высокоточные) ОУ используют для усиления сигналов малого уровня, сопровождаемых высоким уровнем помех, имеют малый уровень напряжения смещения и его температурный дрейф, большой коэффициент усиления и подавления синфазного сигнала, большое входное сопротивление, низкий уровень шума, невысокое быстродействие. Их основные параметры: напряжение смещения 250 мкВ, температурный дрейф 5 мкВ/0 С, коэффициент усиления 150 тыс.

ОУ с малым входным током. Входные каскады их построены на полевых транзисторах. Входной ток 100 пА.

Мощные и высоковольтные ОУ. Выходные каскады у них построены на мощных высоковольтных элементах. Имеют выходной ток 100 мА, выходное напряжение 15 В.

Микромощные ОУ. Используют, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, приборы работающие в ждущем режиме). Ток потребления 1 мА.

 

Инвертирующий усилитель (ИУ)

 

Его схема, изображена на рис. 2.

 

Рис. 2

Характерной особенностью таких схем является «заземление» -входа. Резисторы ,  образуют цепь параллельной ООС. Коэффициент передачи этой цепи.

Определим коэффициент передачи ИУ  ,

где - напряжение на выходе ОУ;

- э.д.с. источника сигнала .

При входное напряжение ,т.к.

 

.

При этом входное сопротивление идеального ОУ , поэтому  . Следовательно,

и .

 

Здесь и далее знак минус указывает на то, что Uвх и Uвых имеют разную полярность. Полученное выражение позволяет сделать следующие выводы:

1)        при инвертирующем включении происходит изменение полярности входного сигнала;

2)      при глубокой обратной связи коэффициент передачи ИУ практически не зависит от параметров ОУ, а целиком определяется параметрами элементов цепи ООС (, );

3) И-вход можно рассматривать как точку с потенциалом, равным нулю («виртуальный нуль»), так как напряжение , при достаточно большом коэффициенте усиления, стремится к нулю.

В этом случае ток источника сигнала , т.е. не зависит от .

Напряжение на выходе схемы (при )

.

(Эти соотношения используются при анализе различного рода инвертирующих схем.) Входное сопротивление схемы равно .

Видоизменением инвертирующей схемы является схема сумматора (рис.3). Так как и в этом случае И-вход сохраняет потенциал земли, то токи всех источников () не зависят друг от друга:

….

чем достигается идеальная развязка источников сигнала.

Через элемент цепи ООС  протекает сумма этих токов. Поэтому И-вход иногда называют «суммирующей точкой». Выходное напряжение схемы:

.

Таким образом, схема работает как суммирующий усилитель, в котором могут быть выбраны различные масштабные коэффициенты для каждого из сигналов. В рассмотренных схемах в качестве элементов цепи ООС могут быть использованы не только резисторы, но и другие элементы (например, конденсаторы) и цепи, состоящие из наборов линейных и нелинейных элементов. Однако независимо от характера цепи ООС остаются справедливыми следующие положения:

1)    потенциал входа (суммирующей точки) равен нулю;

2) токи через входные зажимы ОУ отсутствуют; ток, втекающий в суммирующую точку из входных цепей, равен току, протекающему в цепи обратной связи.

 

 

Рис.3

Неинвертирующий усилитель (НУ)

 

Схема НУ изображена на рис.4. Входной сигнал подается на Н-вход, а часть выходного () – на И-вход. При  дифференциальное входное напряжение

.

 

Рис. 4

Рис. 5

 

Тогда коэффициент передачи схемы

.

Если =, =0 (рис.5), то =1 и схема действует как идеальный повторитель напряжения. Преимуществом такого повторителя является очень большое входное и низкое выходное сопротивления. Поэтому повторители напряжения на ОУ широко используются в целях развязки источника сигнала и нагрузки.

 



 
градусов Частотный диапазон