2363
.pdf2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ)
Операционные усилители представляют универсальные устройства, на основе которых возможно построение генераторов, активных фильтров, ста-
билизаторов напряжения и тока, источников эталонного напряжения, усили-
телей и др. ОУ — это высококачественный усилитель постоянного тока пря-
мого усиления с дифференциальным входным каскадом, большим коэффи-
циентом усиления (Кус~100000), имеющий широкую полосу пропускания
(fв=10-100 МГц). ОУ обладает высоким входным сопротивлением (Rвх>10
кОм), низким выходным сопротивлением (Rвых<100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов. ОУ изображают на элек-
трических схемах (рис 2.1). На схеме изображены два входа и один выход
(рис. 2.1).
Рис. 2.1 Условные обозначения ОУ а) без дополнительного поля;
б) с дополнительными полями:
NS — выводы балансировки;
FC — выводы частотной коррекции и выводы напряжения питания.
Вход Uвх1, обозначенный знаком ―0‖, называют инвертирующим, т.к.
при подаче на этот вход сигнала на выходе получаем сигнал противополож-
31
ный полярности. Коэффициент усиления ОУ по 1 и 2 входам одинаков по ве-
личине и противоположен по знаку.
Вход Uвх2, необозначенный знаком называется неинвертирующим, так как полярность сигнала на входе при подаче на неинвертирующий вход сов-
падает с полярностью сигнала на входе.
Второй вывод общий для обоих входов в обозначении не показан. Это общая информативная шина, иногда на принципиальных схемах обозначает-
ся I. Для лучшего понимания выводов, допускается введение одного или двух полей с обеих сторон от основного поля в которых указываются метки с обо-
значением функции вывода. Особенностью ОУ является то, что входные сиг-
налы подаются относительно общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал. При нулевых входных сигналах выходное напряжение равно нулю .
Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями
Uвх1 и Uвх2 соотношением
Uвых Кио (Uвх1 Uвх2 ) , |
(2.1) |
где Кио - собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Рис. 2.2. Схема подключения ОУ
Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и чувствителен к синфазному входному сигналу. Кио в ОУ на
32
практике достигает значений 105 106 или100 120дБ . В качестве ис-
точника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Средний вывод этого источника является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В ре-
альных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне 3В 18В .
Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ
По принципу действия и схемному исполнению ОУ делятся на два ос-
новных вида:
1.усилители с непосредственными связями (прямого усиления);
2.усилители с преобразованием сигнала:
а) усилители с преобразованием модулирующего сигнала постоянного тока в переменное напряжение;
б) усилители, в которых входной сигнал воздействует на параметры ав-
токолебаний автогенератора: амплитуду, частоту или фазу (усилители с управляемыми автогенераторами УПТ-УГ — автогенераторные усилители).
В зависимости от назначения ОУ подразделяются на:
а) ОУ общего применения, используемые в схемах, где отсутствуют повышенные требования к усилителям;
б) прецизионные, имеющие малые дрейф и шумы, а также высокий ко-
эффициент усиления ;
в) быстродействующие, которые обладают высокой скоростью измене-
ния выхода его напряжения и используются для построения импульсных и широкополосных устройств.
В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в ос-
новном используют интегральные операционные усилители. По конструк-
тивному выполнению они являются законченными высокостабильными ши-
рокополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффици-
ент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.
33
Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданны-
ми техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рас-
сматривать его как самостоятельный компонент с определенными парамет-
рами.
Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы по-
даются относительно одной общей шины, относительно которой снимается выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал ра-
вен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.
2.1. Параметры и характеристики ОУ
Подразделяются на входные, выходные и характеристики передачи.
К входным параметрам относятся: напряжение смещения нуля, вход-
ные токи, входные сопротивления, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, температурные дрейфы входных токов.
Напряжение смещения нуля Uсм — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Значение Uсм от 1мВ — 10мВ, Uсм показывает какой потенциал надо подать на вход, чтобы получить Uвых=0.
Если ОУ включить так, чтобы его выход был соединен с инверсным входом (рис. 2.3), то его коэффициент усиления будет равен единице и вы-
ходное напряжение будет равно Uсм.
34
Рис. 2.3. Определение напряжения смещения и входных токов:
а) схема определения напряжения смещения,
б) схема определения входных смещения нуля токов
Измерение входных токов осуществляется по схеме (рис 2.3). При замкнутых ключах S1 и S2 выходное напряжение равно Uсм, а коэффициент усиления по напряжению равен 1, т.к. сохраняется 100% отрицательная об-
ратная связь, а входное напряжение Uвх1 за счет падения напряжения на со-
противлении R изменится на |
U вх |
Iвх R . Выходное напряжение будет |
|||
Uвых1. Т.к. коэффициент усиления равен 1, то |
|
|
|
||
U вх1 U вых U см Iвх R ; откуда I вх1 |
U вых U см . |
||||
|
|
|
|
R |
|
Входной ток Iвх2 определяется аналогично при замкнутом S1 |
и разомк- |
||||
нутом S2 |
|
|
|
|
|
|
I вх |
U вых U см . |
|
(2.2) |
|
|
|
R |
|
|
|
Разность входных токов |
|
|
|
|
|
I вх |
I вх1 |
I вх2 |
U вых U вых |
(2.3) |
|
R |
|
||||
|
|
|
|
|
может иметь любой знак.
Входное сопротивление для дифференциального сигнала — это полное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соеди-
35
нен с общим выводом. Значения его находятся в интервале нескольких де-
сятков кОм до сотен МОм.
Входное сопротивление для синфазного сигнала определяет изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения.
Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как отно-
шение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к диффе-
ренциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения
Kос.сф |
U вх.сф |
|
U вых.сф U вых.диф . |
(2.4) |
|
U вх.диф |
|||||
|
|
|
К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление,
напряжение и ток выхода.
К группе характеристик передачи относятся коэффициент усиления по напряжению, частота единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения, время восстановления, амплитудно - частотная характеристика.
Частота единичного усиления — это частота, на которой модуль коэф-
фициента усиления ОУ равен единице (0 дБ).
Скорость нарастания выходного напряжения — это максимальная ско-
рость изменения выходного сигнала при максимальном значении его ампли-
туды.
Время установления выходного напряжения tуст — это время, за кото-
рое практически заканчивается переходной процесс.
2.2. Работа операционных усилителей с обратной связью
Воздействие выходной цепи на входную называют обратной связью.
Если действие сигнала ОС увеличивает входной сигнал, ОС называют поло-
жительной, если уменьшает — отрицательной.
36
Рис. 2.4. Усилитель с собственным коэффициентом усиления Ки, охваченный
отрицательной обратной связью с коэффициентом передачи |
, |
|
||||||||||||||
|
|
1-усилитель, 2-цепь обратной связи. |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
U вых Ки U вх |
Ки U вх |
|
|
|
U вых |
|
|
|
|
(2.5) |
||||
из этого соотношения следует, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Ки.ос |
U вых |
|
Ки |
|
. |
|
|
|
|
|
(2.6) |
||
|
|
|
U вх |
1 |
|
К |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Действительно поделив правую и левую часть на Uвх , получим |
|
|||||||||||||||
Ки.ос |
|
Ки 1 |
Ки.ос , Kи.ос |
Kи.ос Kи |
Kи ; Kи.ос |
|
Kи |
.(2.7) |
||||||||
|
1 |
Kи |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При К |
|
1 |
глубокая обратная связь. |
|
К |
|
|
1 |
, т.е. коэффициент |
|||||||
и |
|
и.ос |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
усиления усилителя с глубокой обратной связью определяется только свой-
ствами цепи и не зависит от свойств самого усилителя. Достаточная глубина обратной связи обеспечивается в ОУ очень большим коэффициентом усиле-
ния.
Для анализа работы операционных усилителей принимают следующие допущения:
1.Входное сопротивление операционного усилителя равно беско-
нечности, токи входных электродов равны нулю ( Rвх ,i i 0 ).
37
2.Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю,
т.е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источ-
ником напряжения ( Rвых 0 ).
3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачива-
ние выводов операционного усилителя).
4.В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю на-
пряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения.
5.Синфазный сигнал не действует на ОУ.
6.Напряжение смещения нуля равно нулю.
2.3. Типовые преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях
Инвертирующий усилитель на основе ОУ
В инвертирующем усилителе сигнал подается на инвертирующий вход.
рис. 2.5. Инвертирующий усилитель на основе ОУ
Т.к. i 0 , то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 i2 . Если ОУ работает в режиме усиления, то U диф 0 .
38
На основании второго закона Кирхгофа
|
i1 R1 U вх ;i2 R2 |
U вых2 , |
|
|
(2.8) |
|||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
i1 |
U вх ;i2 |
U вых2 , т.к. |
i1 |
i2 ; U вых |
Uвх |
R2 |
. (2.9) |
|
|
R1 |
|
R2 |
|
|
|
R1 |
|
Коэффициент усиления по напряжению: |
|
|
|
|
|
|||
|
К |
и |
U вых |
R2 . |
|
|
(2.10) |
|
|
|
U вх |
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Включение резистора R3 в цепь неинвертирующего входа можно уменьшить влияние входных токов на выходное напряжение, величина
R3 R1 |
R2 |
R1 R2 |
. |
(2.11) |
|
||||
|
|
R1 R2 |
|
Рис. 2.6. Инвертирующий усилитель с резистором в цепи неинвертирующего входа
Учитывая, что U диф 0 ,на низких частотах входное сопротивление
усилителя равно R1 , т.е. существенно меньше входного сопротивления ОУ,
т.к. параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное и выход-
ное сопротивление Rвых.ос |
|
Rвых |
|
|
, где К — коэффициент усиления |
||
|
|
|
|
|
|||
1 |
К |
R1 |
|
||||
R1 |
R2 |
||||||
|
|
|
по напряжению.
39
Неинвертирующий усилитель на основе ОУ
В неинвертирующем усилителе входной сигнал подается на неинвер-
тирующий вход.
Рис. 2.7. Неинвертирующий усилитель
Если ОУ работает в режиме усиления, тогда U диф 0 , на основании
второго закона Кирхгофа получаем:
U R1 U вх ,.U R2 |
U вх U вых ,i1 |
R1 |
U вх ,i2 R2 |
U вх |
U вых ,i1 |
U вх , |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
i2 |
U вх U вых , |
U вх U вх U вых ; U вх |
1 |
1 |
U вых ; |
||||||
R1 |
|
R2 |
|||||||||
|
R2 |
|
R1 |
R2 |
|
|
|
R2 |
|
||
|
|
|
U вых |
U вх |
R1 R2 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
U вых |
U вх 1 |
R2 |
; Ки 1 |
R2 |
|
|
|
|
|
|
(2.12) |
|
|
R1 |
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
Этот результат соответствует выводу из теории обратной связи, т.к.
при К |
|
, Киос |
|
|
К |
; |
(2.13) |
||
|
|
|
|
||||||
1 |
К |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
||
Ки.ос |
|
|
; |
|
R |
. |
(2.14) |
||
|
|
|
R1 |
R2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Таким образом, при К |
, |
|
|
|
|
|
|
|
40