- •Оглавление
- •1. Основные определения
- •1.1. Основные пояснения и термины
- •1.2. Пассивные элементы схемы замещения
- •1.3. Активные элементы схемы замещения
- •1.4. Основные определения, относящиеся к схемам
- •1.5. Режимы работы электрических цепей
- •1.6. Основные законы электрических цепей
- •2. Эквивалентные преобразования схем
- •2.1. Последовательное соединение элементов электрических цепей
- •2.2. Параллельное соединение элементов электрических цепей
- •2.3.Преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду
- •2.4.Преобразование звезды сопротивлений в эквивалентный треугольник
- •3. Анализ электрических цепей постоянного тока с одним источником энергии
- •3.1. Расчет электрических цепей постоянного тока с одним источником методом свертывания
- •3.2. Расчет электрических цепей постоянного тока с одним источником методом подобия или методом пропорциональных величин
- •4. Анализ сложных электрических цепей с несколькими источниками энергии
- •4.1. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа
- •4.2. Метод контурных токов
- •Порядок расчета
- •Рекомендации
- •4.3. Метод узловых потенциалов
- •4.4. Метод двух узлов
- •4.5. Метод эквивалентного генератора
- •5. Нелинейные электрические цепи постоянного тока
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Графический метод расчета нелинейных цепей постоянного тока
- •6. Электрические цепи однофазного переменного тока
- •6.1. Основные определения
- •6.2. Изображения синусоидальных функций времени в векторной форме
- •6.3. Изображение синусоидальных функций времени в комплексной форме
- •6.4. Сопротивление в цепи синусоидального тока
- •6.5. Индуктивная катушка в цепи синусоидального тока
- •6.6. Емкость в цепи синусоидального тока
- •6.7. Последовательно соединенные реальная индуктивная катушка и конденсатор в цепи синусоидального тока
- •6.8. Параллельно соединенные индуктивность, емкость и активное сопротивление в цепи синусоидального тока
- •6.9. Резонансный режим в цепи, состоящей из параллельно включенных реальной индуктивной катушки и конденсатора
- •6.10. Мощность в цепи синусоидального тока
- •6.11. Баланс мощностей
- •6.12. Согласованный режим работы электрической цепи. Согласование нагрузки с источником
- •7. Трёхфазные цепи
- •7.1. Основные определения
- •7.2. Соединение в звезду. Схема, определения
- •7.3. Соединение в треугольник. Схема, определения
- •7.4. Расчет трехфазной цепи, соединенной звездой
- •7.5. Мощность в трехфазных цепях
- •8. Переходные процессы в линейных электрических цепях
- •8.1. Общая характеристика переходных процессов
- •8.2. Переходные процессы в цепях с одним реактивным элементом
- •9. Несинусоидальные периодические токи.
- •10. Электроника. Введение.
- •10.1. Полупроводниковые материалы.
- •10.2 Полупроводниковые диоды.
- •10.3. Биполярный транзистор
- •10.4. Полевые транзисторы.
- •10.5. Тиристоры.
- •11. Усилители электрических сигналов
- •11.1. Общие сведения, классификация и основные характеристики усилителя. Типовые функциональные каскады полупроводникового усилителя.
- •11.2. Анализ работы транзисторного усилителя. Понятие о классах усиления усилительных каскадов.
- •11.3. Температурная стабилизация режимов в транзисторных усилителях. Особенности работы усилителя на полевом транзисторе.
- •11.4. Избирательные усилители. Усилители мощности. Усилители постоянного тока.
- •11.5. Анализ дифференциального усилителя.
- •11.6. Операционный усилитель (оу). Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления оу.
- •12. Источники вторичного электропитания
- •12.1. Классификация, состав и основные параметры.
- •12.2. Показатели выпрямителей однофазного тока.
- •12.3. Трехфазные выпрямители. Внешние характеристики выпрямителей.
- •12.4. Принцип работы выпрямителей на тиристорах.
- •12.5. Сглаживающие фильтры и оценка эффективности их работы.
- •12.6. Компенсационные стабилизаторы напряжения и преобразователи постоянного тока в переменный.
- •13. Основы цифровой электронной техники
- •13.1. Анализ логических устройств.
- •13.2. Логические операции и способы их аппаратурной реализации.
- •13.3. Сведения об интегральных логических микросхемах.
- •13.4. Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности логических микросхем различных серий.
- •13.5. Принципы функционирования цифровых устройств комбинационной логики.
11.6. Операционный усилитель (оу). Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления оу.
Операционный усилитель(ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он успешно применяется как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т. п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т. д.). На ранних этапах развития вычислительной техники ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций с сигналами. Отсюда и появилось его наименование — операционный (решающий) усилитель.
Основные параметры ОУ должны удовлетворять ряду требований как в отношении электрических характеристик, так и его конструктивного выполнения.
Требования к электрическим характеристикам ОУсвязаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент усиления по напряжению; большое входное и малое выходное сопротивления; линейность передаточной характеристики; высокую верхнюю граничную частоту пропускания.
Требования к конструктивному исполнению ОУсводятся к следующим особенностям его конструкции: наличию двух автономных входов (1) и (2) с общей точкой, соединенной с массой усилителя; выполнению одного из входов (1) с неинвертирующим (совпадение по фазе), а другого (2) с инвертирующим (в противофазе) включением по отношению к выходному сигналу.
Заметим, что в условном обозначении ОУ (рис. 11.15, а) показаны лишь шесть основных зажимов. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля, балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.
Рис. 11.15. Условное обозначение операционного усилителя (а) и его функциональная схема (б)
Рис. 11.16. Схема дифференциального усилителя с ООС, реализуемой посредством резистора
Основными показателями качества работы ОУявляются: коэффициент усиления по напряжению KU, достигающий у лучших образцов значения до 106; входное сопротивление Rвх(до 109Ом); верхняя граничная частота, достигающая у лучших образцов даже значения 50 МГц.
Благодаря высоким характеристикам и широкой доступности, обеспеченной серийным выпуском, ОУ нашли исключительно широкое применение в электронике и системах автоматики. На основе ОУ получены высококачественные линейные усилители, источники опорных напряжения и тока, генераторы импульсов, схемы сравнения (компараторы) и т. п.
Основу ОУ составляет дифференциальный усилитель, воздействуя на каналы прямой и обратной связи которого добиваются реализации задач, стоящих перед ОУ. Типовая функциональная схема ОУ приведена на рис. 11.15, б.
Как видно, ОУ можно представить в общем виде состоящим из трех каскадов: входного дифференциального усилителя (ДУ), имеющего симметричный вход и обеспечивающего высокую стабильность, малое напряжение шумов и т. п.; промежуточного усилителя напряжения (УН), выполненного, как правило, также в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления; выходного эмиттерного повторителя (ЭП), выполненного по двухтактной схеме и обеспечивающего малое выходное сопротивление ОУ.
Схемы разделения сигналов дифференциального усилителя (рис. 11.15) позволяют проводить анализ процессов в ОУ путем раздельного учета каждой из составляющих входного и выходного сигналов.
В операционных усилителях для связи дифференциального, промежуточного и, как правило, выходного усилителей используют несимметричный выход (например, только коллекторный зажим б транзистора VT2 на рис. 11.16, б). Однако при этом ухудшается работа всего ОУ, так как стабилизирующие свойства дифференциального каскада проявляются только относительно симметричного входа (между точками а и б). Для решения указанной проблемы в дифференциальном усилителе применяют стабилизирующуюООСпо токам эмиттеров обоих транзисторов, реализуемую резистором RЭ(рис. 11.16).
Для количественной оценки стабилизирующих свойств дифференциального усилителя служит коэффициент ослабления синфазной составляющей, численно равный
где (KU)пфи (KU)сф— коэффициенты усиления каскада по напряжению для противофазного и синфазного сигналов соответственно.Коэффициент Kос с удобно представлять в децибелах:
Как видно, дифференциальные усилители с лучшими стабилизирующими свойствами (меньшим дрейфом нуля) имеют большие значения Kос.с. С увеличением сопротивления резистораRЭ(рис. 11.16) действие ООС усиливается, а следовательно, уменьшается значение (KU)сфпри неизменной величине (KU)пф. В результате коэффициентKос свозрастает.
Таким образом, усиление действия ООС, ведущее к улучшению стабилизирующих свойств дифференциального усилителя, оценивают более высоким значением коэффициента ослабления синфазной составляющей Kос с.
Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления ОУ.Как указывалось выше, улучшение стабильности работы дифференциального усилителя обеспечивается увеличением сопротивления резистораRЭв схеме ООС (см. рис. 11.16).
Однако это вызывает пропорциональное снижение эмиттерных токов транзисторов VT1 иVТ2, что уменьшает максимальное выходное напряжение усилителя. Поэтому в схеме дифференциального усилителя вместо резистораRЭприменяют источник стабильного тока, имеющий бесконечно большое дифференциальное сопротивление. Кроме того, для стабилизации напряжения питания каскада используют специальный стабилизатор напряжения. Практическая схема дифференциального усилителя со стабилизаторами тока и напряжения приведена на рис. 11.17. Как видно, источник стабильного тока выполнен на транзистореVT3 с диодным смещением (посредством диодаVD), способствующим термостабилизации транзистора. Стабилизатор напряжения включает транзисторVT4, с помощью которого стабилизируется входное напряжение каскада (мостовой схемы).
Рис. 11.17. Схема дифференциального каскада со стабилизаторами тока и напряжения
Повышение входного сопротивления дифференциального усилителядостигается снижением базовых токов покоя транзисторовVT1 иVT2 (см. рис. 11.17) до ничтожно малых величин (единицы наноампер). Однако это ухудшает работу дифференциального усилителя из-за уменьшения его динамического диапазона, под которым понимают выраженное в децибелах отношение максимального сигнала к минимальному. Для предотвращения этого фактора в качестве приборовVT1 иVT2 применяют супер-бета транзисторы, отличающиеся чрезвычайно большими коэффициентами усиления по току (тысячи единиц) за счет использования в них предельно тонкой базы. Однако применение таких транзисторов заметно усложняет задачу стабилизации дифференциального усилителя. Поэтому в ряде случаев повышение входного сопротивления ОУ достигается использованием в его входном канале полевых транзисторов.