Лекция №18

4.8 Операционные усилители, определение, назначение.

4.9 Применение ОУ: интегратор, усилитель, дифференциатор, компаратор.

4.10 Схема реле времени с бесконтактным входом и выходом.

4.11 Оптоэлектронные приборы.

10.9 Операционные усилители, определение, назначение

О перационный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления >25· и несимметричным выходом. Он изготавливается в интегральном исполнении, представляет собой «крошечный» элемент, размещенный в миниатюрном корпусе. Принципиальная схема ОУ содержит от семи до двадцати транзисторов, резисторы, конденсаторы, диоды. На входе дифференциальный каскад, на выходе эмиттерный повторитель. Обычно (общего применения) ОУ имеет двухполярное питание ±15,0В относительно общей точки, инвертирующий (–) и неинвертирующий (+) входы, выход и три вывода для подключения коррекции или установки нуля.

На принципиальных схемах ОУ может изображаться в двух видах, как общее изображение усилителя или как ОУ в виде равностороннего треугольника (рис. 89). Номера выводов на схемах можно не показывать.

Промышленность выпускает сотни типов ОУ, которые имеют различные особенности, сравнительно друг с другом.

ОУ бывают: с полярными и биполярными транзисторами на входе, с внутренней и внешней коррекцией частотных характеристик, с защитой и без защиты от токов КЗ., прецизионные и общего применения, высоковольтные и с обычным напряжением питания, с малым уровнем напряжения шумов для звуковой аппаратуры, быстродействующие, сравнительно мощные и микромощные для питания от батареек, с малым коэффициентом усиления выполненные как МДМ (модулятор – демодулятор), кроме того в последних разработках получены ОУ с однополярным источником питания и т. д.

Для выбора ОУ необходимо знать схему, где он будет применяться.

Важнейшие правила для ОУ общего применения

1 ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей мВ вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Поэтому выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней обратной связи передает напряжение с выхода на вход.

2 Входы ОУ ток не потребляют.

3 ОУ в большинстве случаев имеют схему внешней обратной связи за исключением применения ОУ в схемах компараторов при сравнении сигналов. В этом случае напряжение на входах не должно превышать 5,0В или 30 % от напряжения источника питания, иначе ОУ может выйти из строя.

4 Рекомендуемые величины резисторов на входе и в цепи обратной связи в пределах (2 – 100) кОм.

10.10 Применение оу: усилитель, интегратор, дифференциатор, сумматор, компаратор

В электронных схемах электрических аппаратов широко применяется ОУ – это: реле защиты от замыканий на землю, реле защиты электродвигателей, трехфазные реле напряжения, реле времени, реле тока с выдержкой времени, усилители сигналов с термопар в милливольтметрах измерения температуры и т. п.

Кроме того, ОУ применяют в схемах автоматики: цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи, преобразователи напряжение – частота, генераторы различных сигналов, логарифмические усилители, выпрямители малых сигналов, регуляторы (корректирующие устройства) различных типов, источники тока, устройства выборки и хранения и другие.

С помощью ОУ можно производить в аналоговой форме усиление, суммирование, интегрирование, дифференцирование, сравнение сигналов и другие операции с помощью нескольких ОУ и дополнительных элементов как логарифмирование, умножение и деление.

Инвертирующий усилитель

Потенциал инвертирующего входа (рис. 90)согласно правилу 1, равен потенциалу земли (точка А).

Это означает, что падение напряжения на резисторе равно , а падение на резисторе равно .

Воспользовавшись вторым правилом ( ) получим

, (94)

. (95)

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению

. (96)

Неинвертирующий усилитель

Потенциал точки А равен потенциалу , так как их разность стремится к нулю. Напряжение U_А снимается с делителя напряжения:

(97)

Если , то коэффициент усиления:

(98)

Когда , то усилитель является повторителем.

Интегратор

В интеграторе в отличие от инвертирующего усилителя в цепи обратной связи вместо резистора включен конденсатор С. Ток обратной связи I_ОС является током заряда конденсатора I_С.

. (99)

Напряжение на конденсаторе

(100)

Учитывая, что , получим

, (101)

где – начальное напряжение на выходе.

Если на вход подать единичное ступенчатое воздействие 1(t), что можно сделать расшунтированием конденсатора С, то из выражения (8) получим

(102)

где – постоянная интегрирования.

Таким образом, при ступенчатом воздействии напряжение на выходе линейно возрастает в функции времени t.

Дифференциатор

В дифференциаторе, в отличие от инвертирующего усилителя, вместо R_ВХ включен конденсатор С. Поэтому является током заряда конденсатора ,поэтому

, (103)

продифференцировав (10) найдем

(104)

Поскольку , а также учитывая ,что

(105)

найдем

(106)

Обозначив постоянную дифференцирования , получим:

(107)

Таким образом, напряжение на выходе пропорционально первой производной от входного напряжения.

Замечание. Рассмотрен идеальный дифференциатор. Если на вход подать ступенчатое воздействие, то на выходе должен быть импульс напряжения бесконечно большой амплитуды и бесконечно малой длительности. В практических схемах идеальный дифференциатор не применяется, так как он возбуждается и работает в автоколебательном режиме. Поэтому последовательно с конденсатором включают сопротивление ≥0,1R, а параллельно им сопротивление ≥10R. В реальном дифференциаторе ток заряда конденсатора С при ступенчатом включении изменяется по экспоненциальному закону и выходной сигнал искажается.

Сумматор

Е сли резистор R_ОС подключен, то для двух входных напряжений , напряжение на выходе будет

(108)

Аналогично можно просуммировать и большее количество напряжений.

Суммировать можно напряжения, значительно превышающие напряжение питания усилителя. Например, если = 100 B, R₁ = 100 кОм, а = 10 B, R₂ = 10 кОм, при R_ОС = 1 кОм, на выходе получим .

Если R₁ = R₂, то выражение (108) преобразуется к виду

(109)

где .