- •Схемотехника аналого – цифровых устройств
- •Лекция 1. Введение. Структура устройств ввода-вывода информации в эвм
- •Введение
- •Принципы построения систем обработки данных с использованием эвм
- •Состав устройств ввода информации в эвм
- •Состав устройств вывода
- •Лекция 2. Основные сведения об интегральном операционном усилителе. Структурная схема операционного усилителя
- •Понятие идеального усилителя и его свойства
- •Классификация операционных усилителей
- •Структурная схема операционного усилителя. Определения дифференциального и синфазного сигналов
- •Лекция 3. Основные параметры оу
- •Входные параметры
- •Выходные параметры и параметры передачи
- •Параметры передачи
- •Лекция 4. Схемотехника входных каскадов оу
- •Принципы построения входного дифференциального каскада
- •Малосигнальные параметры входного дифференциального каскада
- •Лекция 5. Генераторы стабильного тока в схемотехнике оу
- •Особенности построения источников тока в схемотехнике оу
- •Базовые схемы источников тока
- •Основные модификации источников тока
- •Лекция № 6. Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня и основы схемотехники выходных каскадов оу
- •Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня
- •Основы схемотехники выходных каскадов оу
- •Защита выходных каскадов от короткого замыкания
- •Лекция №7. Базовые схемы включения оу в аппаратуре
- •Повторитель напряжения
- •Неинвертирующий усилитель
- •Инвертирующий усилитель
- •Лекция 8. Частотная характеристика оу
- •Формирование частотной характеристики оу
- •Логарифмические частотные характеристики оу
- •Частотная характеристика оу при наличии отрицательной обратной связи
- •Лекция 9. Устойчивость работы схем с оу. Частотная коррекция
- •Причины неустойчивой работы схем с оу
- •Частотная коррекция схем с оу
- •Лекция 10. Схемы на основе оу для выполнения математических операций
- •Суммирующий усилитель
- •Интегрирующий усилитель
- •Пояснения к работе интегрирующего усилителя:
- •Дифференцирующий усилитель
- •Логарифмирующий усилитель
- •Лекция 11. Активные фильтры
- •Основные сведения, классификация и типы частотных характеристик активных фильтров
- •Анализ схемы двухполюсного активного фильтра
- •Фильтры с переключаемыми конденсаторами
- •Мдп-транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором)
- •Для реализации резистора
- •Лекция №12. Компаратор напряжения
- •Основные сведения и особенности схемотехники компараторов напряжения
- •Принцип работы компаратора при сравнении сигналов разной полярности
- •Анализ систематических и случайных ошибок в работе компаратора при сравнении сигналов разной полярности
- •Лекция №13. Компаратор с гистерезисом
- •Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности
- •Компаратор с гистерезисной характеристикой
- •Лекция №14. Классификация и состав функциональных блоков цифроаналоговых преобразователей
- •Классификация цифроаналоговых преобразователей
- •Ключевые элементы цифроаналоговых преобразователей
- •Резистивные матрицы цифроаналоговых преобразователей
- •Цап с матрицей двоично-взвешенных сопротивлений
- •Цап с матрицей r-2r с выходом по току
- •Цап с матрицей r-2r с выходом по напряжению
- •Далее, аналогично не сложно показать, что при коде 0010 потенциал точки а будет равен , а при коде 0001 –. Поэтому аналогично по двоичному закону будет меняться и выходное напряжение всей схемы.
- •Классификация ацп
- •Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета
- •Ацп с промежуточным преобразованием во временной интервал
- •Ацп последовательного счета с цифровым интегратором
- •Ацп с двухтактным интегрированием
- •Лекция 17. Ацп слежения, параллельного действия и поразрядного кодирования
- •Аналого-цифровые преобразователи слежения
- •Аналого-цифровые преобразователи параллельного действия
- •Аналого- цифровые преобразователи поразрядного кодирования
- •Лекция №18. Теоретические основы аналоговой и гибридной вычислительной техники
- •Основные понятия моделирования. Система аналогий, критерий подобия
- •Масштабы и масштабные уравнения Пусть дифференциальное уравнение механической системы, являющееся упрощенной моделью системы подвески автомобиля имеете вид:
- •Пояснения к рисунку:
- •Примеры использования масштабных уравнений Расчет коэффициента передачи суммирующего усилителя
- •Пример моделирования дифференциального уравнения второго порядка
- •Лекция №19. Аналого-цифровые вычислительные комплексы
- •Структура аналого-цифрового вычислительного комплекса
- •Структура авм
- •Заключение
- •Список литературы
Лекция 3. Основные параметры оу
План лекции
1. Входные параметры.
2. Выходные параметры и параметры передачи.
Входные параметры
Параметры операционного усилителя определяют степень их неидеальности и условно подразделяются на три группы: входные, выходные и параметры передачи. Рассмотрим входные параметры.
Напряжение смещения нуля ().
–это напряжение на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления, физически показывает какое напряжение и какой полярности необходимо подать на один из входов усилителя, чтобы напряжение на его выходе стало равно нулю при нулевом входном сигнале.
Рис. 11. К пояснению понятия напряжения смещения нуля
Величина смещения для разных типов ОУ составляет от нескольких нВ до нескольких мВ.
Входные токи ().
В идеальном усилителе за счет бесконечно большого входного сопротивления входные токи должны быть равны нулю.
В реальных усилителях, входные каскады которых построены на биполярных транзисторах, входные токи необходимы для обеспечения линейного режима работы входных транзисторов. Это токи базы. Наличие этих токов определяет реальное входное сопротивление этих усилителей. В усилителях с полевыми транзисторами на входе роль входных токов выполняют токи утечки затвора. Поэтому, если даже входные токи усилителя одинаковые, за счет разных сопротивлений, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам усилителя, между входами усилителя может возникнуть дополнительное падение напряжения, которое воспримется усилителем как дифференциальный сигнал ошибки. Поэтому, чтобы этого не происходило надо определенным способом выравнивать сопротивления, подключенные к входам усилителя.
Рис. 12. К пояснению понятия компенсации токовых ошибок
Если входной каскад на транзисторах n-p-n типа, то токи Iвх1 и Iвх2 втекают в ОУ.
Для анализа ошибки будем использовать принцип суперпозиции, то есть рассмотрим вклад в ошибку каждого тока по отдельности.
Пусть . Тогда токIвх1 протекая по цепи: общий провод – резистор R3 – входной транзистор – минус источника питания, создаст на резисторе R3 падение напряжения указанной полярности. Усилитель воспримет это как полезный сигнал, и так как схема охвачена отрицательной обратной связью, усилит его с заданным коэффициентом. Для данной схемы относительно неинвертирующего входа имеем, что
, |
(9) |
тогда на выходе появится сигнал ошибки:
. |
(10) |
Если , то возникает следующая ситуация.
При токе потенциал неинвертирующего входа будет равен нулю. Так как, то получается, что потенциал инвертирующего входа тоже примерно равен нолю. Тогда на резистореR1 никакого падения напряжения нет, и ток через этот резистор будет примерно равен нолю. Тогда получается, что ток течет по следующей цепи: плюс источник питания – выход усилителя – резисторR2 – входной транзистор – минус источника питания.
На резисторе R2 происходит падение напряжения . Так как потенциал инвертирующего входа равен нулю, то это падение напряжения на резистореR2 будет равно напряжению на выходе схемы:
. |
(11) |
|
|
Сумма напряжений идолжна быть равна нулю при правильном выборе резисторов и примерно одинаковых токах:
(12) |
Если , то это уравнение может выполниться при
. |
(13) |
Так как отношение резисторов R1 и R2 определяет коэффициент усиления, то для компенсации этой ошибки необходимо соответствующим образом выбрать номинал резистора R3, поэтому решим последнее уравнение относительно R3:
. |
(14) |
Входные сопротивления.
Их различают для дифференциального и синфазного сигналов.
Входное сопротивление для дифференциального сигнала () – это полное сопротивление любого входа усилителя относительно общего провода при заземлении противоположного входа.
Рис. 13. К пояснению понятия
Входное сопротивление для синфазного сигнала – это полное сопротивление обоих входов усилителя относительно общего провода.
Обычно .
Рис. 14. К пояснению понятия
–десятки кОм единицы МОм, – единицы МОм десятки ГОм, меньшее значение характерно для ОУ с биполярными транзисторами на входе, а большее – с полевыми.
Если считать, что синфазное сопротивление инвертирующего входа () равно синфазному сопротивлению неинвертирующего входа (), то есть, то тогда, так какможно пренебречь.
На нагружается источник дифференциального сигнала и соответственно на– источник синфазного сигнала.
Температурный дрейф напряжения смещения нуля и температурный дрейф входных токов.
(14) | |
.
|
(15) |
Эти параметры показывают, как изменяется напряжение ошибки на выходе усилителя при изменении температуры окружающей среды. Эти параметры важно учитывать при построении прецизионных устройств.
Напряжение шумов.
Обычно в справочнике приводится спектральная плотность напряжения шумов, приведенная ко входу и имеет размерность
. |
(16) |
Это говорит о том, что шум оценивается в определенной полосе частот. Это действующее напряжение на выходе усилителя, поделенное на коэффициент усиления при нулевом входном сигнале.
Рис. 15. Мощность шума (Рш) в зависимости от частоты
До частоты f1 (это единицы кГц) мощность шума уменьшается со скоростью, пропорциональной . Этот шум обусловлен неидеальностью контактных площадок (наличие раковин и так далее). В полосе частот отf1 до f2 характерен равномерный «белый шум», обусловленный тепловыми движениями носителей заряда в объеме полупроводника. Выше частоты f2 шум резко возрастает, в основном это происходит из-за уменьшения коэффициента транзистора с увеличением частоты.
В связи с этим шумовые свойства полупроводниковых приборов накладывают важные ограничения на конструирование усилителей.
Рис. 16. К пояснению шумовых свойств усилителя компенсации токовых ошибок
Если, например, усилитель трехкаскадный, и каждый каскад имеет свой коэффициент усиления, то с учетом источников шума полное выходное напряжения шума можно определить, как:
, |
(17) |
где – полный коэффициент усиления всего усилителя.
Тогда следует, что максимальный вклад в выходное напряжение шума вносит первый каскад. И для того, чтобы уменьшить вклад остальных каскадов нужно обеспечивать максимальное усиление в первом каскаде усилителя.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).
ОУ должен усиливать только разностный сигнал, наблюдаемый между входами. Однако за счет связи через общий провод на входе присутствует синфазная помеха . Поэтому на выходе ОУ появится сигнал ошибки, определяемый по формуле:
, |
(18) |
где – коэффициент усиления синфазного сигнала.
В идеальном усилителе Кс = 0, а Ku . Свойство ОУ по подавлению синфазной помехи оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала.
. |
(19) |
Для прецизионных ОУ эта величина больше или равна 100 дБ.