- •Сигналы
- •1. Детерминированные сигналы
- •1.2. Спектры периодических сигналов
- •Спектры непериодических сигналов
- •2.1. Линейные электронные цепи
- •2.1.3. Характеристики линейных цепей
- •2.1.4. Методы анализа линейных цепей
- •3. Электронные приборы
- •3.3.6. Биполярные транзисторы
- •4. Усилители электрических сигналов
- •4.5. Операционные усилители
- •4.5.2. Устройства на операционном усилителе
- •6. Цифровая обработка сигналов.
- •6.2.2. Временные характеристики дискретных цепей
- •6.2.4. Передаточные функции линейных дискретных цепей.
- •7.2. Основы алгебры логики
- •7.2.2. Законы алгебры логики
- •7.2.3. Дополнительные функционально полные системы логических функций
4.5. Операционные усилители
Операционным усилителем называется усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом. Он отличается высоким коэффициентом усиления (в идеале бесконечным), а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Поэтому операционные усилители строятся с использованием полевых транзисторов. Этот усилитель практически всегда используется с глубокой внешней отрицательной обратной связью.
Структурная схема операционного усилителя приведена на рис.4.5.1,а. Первый каскад является дифференциальным усилителем и имеет два входа: инвертирующий (обозначен знаком “-”) и прямой (обозначен знаком “+”). Второй каскад представляет собой обычный усилитель постоянного тока.
Вх1 +Ек
Вх1 Вых
Диф. УПТ Вых Вх2
ус-ль
Вх2 а) б) -Ек
Рис.4.5.1. Структурная схема (а) и условное обозначение (б) операционного усилителя.
Условное изображение операционного усилителя приведенного на рис.4.5.1,б. Из этого рисунка видно, что операционный усилитель имеет, как минимум, 5 (пять)
- 152 -
выходных клемм: две входных, одна выходная и две клеммы источника питания. Дополнительные клеммы служат для подключения различных корректирующих цепей.
4.5.2. Устройства на операционном усилителе
Рассмотренная в предыдущем разделе схема включения операционного усилителя (ОУ) может суммировать и вычитать напряжения, интегрировать, дифференцировать и логарифмировать входные сигналы и выполнять ряд других операций.
Рассмотрим некоторые из них.
а) Сумматор с инвертированием (рис.4.5.3)
Z1 Z6
Z2 _
+
Рис.4.5.3. Сумматор напряжений с инвертированием на ОУ.
Для этой схемы справедливы соотношения , а .
Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:
. (4.5.17)
б) Сумматор без инвертирования (рис.4.5.4)
-
Z3
+
Z4 Z5
Рис.4.5.4. Сумматор без инвертирования на ОУ.
- 155 -
Для этой схемы справедливы соотношения , а .
Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:
. (4.5.18)
в) Вычитатель (рис.4.5.5)
Z1 Z6
-
Z3
+
Z5
Рис.4.5.6. Вычитатель напряжений на ОУ.
Для этой схемы справедливы соотношения , а .
Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:
. (4.5.19)
г) Интегратор (рис.4.5.6)
R С
_
+
Рис.4.5.6. Интегратор на операционном усилителе.
Для этой схемы справедливы соотношения , а .
Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:
, (4.5.20)
- 156 -
а передаточная характеристика в комплексном виде примет вид
. (4.5.20)
Выражение (4.5.20) описывает передаточную характеристику в комплексном виде идеальную интегрирующую цепь (см. раздел “Синтез интегрирующих цепей”).
д) Дифференциатор (рис.4.5.7)
С R
_
+
Рис.4.5.7. Дифференцирующее устройство на операционном усилителе.
Для этой схемы справедливы соотношения , , а .
Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:
, (4.5.21)
а передаточная характеристика в комплексном виде примет вид
. (4.5.22)
Выражение (4.5.20) описывает передаточную характеристику в комплексном виде идеальную дифференцирующую цепь (см. раздел “Синтез дифференцирующих цепей”).
е) Логарифмирующее устройство (рис.4.5.8)
R С
_
+
Рис.4.5.8. Логарифмирующее устройство на операционном усилителе.
- 157 -
Для этой схемы справедливы соотношения , , а , а роль выполняет диоды с плоскостным p – n переходом.
Известно, что вольтамперная характеристика p – n перехода описывается равенством
, (4.5.23)
где , k - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона, падение напряжения на диоде, μ близко к единице. . При комнатной температуре . Логарифмируя (4.5.23), получаем
. (4.5.24) Ток через сопротивление R, являющийся также и током через диод, при условии малого сопротивления открытого диода и малого выходного сопротивления операционного усилителя
и . (4.5.25) По второму закону Кирхгофа
(4.5.26)
или ,
Тогда выходное напряжение будет связано с входным выражением
. (4.5.27)
Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений.