Операционные усилители реферат заключение

Обновлено: 05.07.2024

Операционный усилитель. Общая характеристика операционных усилителей

Описание: ОУ представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов. Фаза выходного напряжения VOUT совпадает с фазой разности входных напряжений V V причем для сохранения знака при вычислении этой разности принято вычитать напряжение на инвертирующем входе из напряжения на неинвертирующем: где KV дифференциальный коэффициент усиления ОУ. Выходное напряжение рассматриваемой схемы определяется очевидным уравнением Разрешив это уравнение.

Размер файла: 104.77 KB

Работу скачали: 33 чел.

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Общая характеристика операционных усилителей

В качестве активных компонентов при построении устройств обработки аналоговых сигналов широко используются операционные усилители (ОУ). ОУ представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов. Изначально ОУ создавались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах, однако в настоящее время область их применения чрезвычайно расширилась.

На рис. 1 показано схемное обозначение ОУ. Его входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, так что ОУ имеет два входа инвертирующий и неинвертирующий.

где K V дифференциальный коэффициент усиления ОУ.

Разность входных напряжений V D = V + - V - называется дифференциальным входным напряжением.

Полусумму входных напряжений V D =0,5*( V + - V - ) называют синфазным входным напряжением. Иногда синфазным называют также напряжение на неинвертирующем входе.

Чтобы иметь возможность усиливать как положительные, так и отрицательные входные сигналы, необходимо использовать два разнополярных источника постоянного напряжения, которые, подключаются к соответствующим выводам ОУ. Чаще всего интегральные операционные усилители рассчитаны на напряжение питания ± 15В, хоти известно немало моделей, которые требуют для питания как существенно большего, так и заметно меньшего напряжения.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ. Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Выход усилителя через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β (| β |

Выходное напряжение рассматриваемой схемы определяется очевидным уравнением

Разрешив это уравнение относительно V OUT , получим выражение для коэффициента усиления схемы с обратной связью:

Произведение β K V называют петлевым коэффициентом усиления.

На практике K V >>1 (десятки и сотни тысяч), а значение β лежит в пределах 0.01÷1. Тогда произведение βK V >> 1 и коэффициент усиления ОУ с обратной связью можно считать равным K ≈1/ β . Отсюда следует, что коэффициент усиления схемы с отрицательной обратной связью в основном определяется свойствами внешней цепи обратной связи и практически не зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи может представлять собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется R С-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной cвязи ОУ нелинейных элементов (например, диодов или транзисторов) позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов.

Идеальный операционный усилитель имеет следующие свойства:

1) он имеет бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению

K V = Δ V OUT / Δ ( V + - V - );

(у реальных ОУ K V лежит в пределах 10 3 ÷ 30∙10 6 );

2) он обладает нулевым напряжением смещения нуля V OFF , т.е. при равенстве входных напряжений V + = V - выходное напряжение равно нулю независимо от синфазного входного напряжения; (у реальных ОУ V OFF , приведенное к входу, лежит в пределах 10 -6 ÷ 50∙10 -3 );

3) у него нулевые входные токи по обоим входам (у реальных ОУ они лежат в пределах от сотых долей пА до единиц мкА);

4) он имеет нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

5) коэффициент усиления синфазного сигнала у него равен нулю;

6) он обеспечивает мгновенный отклик на любое изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения лежит в пределах от единиц нс до сотен мкс).

Из соображений устойчивости работы операционный усилитель универсального применения, должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться, по крайней мере, вплоть до частоты единичного усиления f Т , т. е. частоты, при которой │ K V │=1 (рис.3).

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

Здесь K V (0) дифференциальный коэффициент усиления ОУ по постоянному току, частота f п , соответствует границе полосы пропускания на уровне 3 дБ. В диапазоне частот от f п до f Т модуль коэффициента усиления обратно пропорционален частоте, что приводит к соотношению

Иными словами, частота единичного усиления f Т равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Это утверждение справедливо для усилителей с полной внутренней частотной коррекцией, т.е. таких ОУ, логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) которых имеет вид, показанный на рис.3.

Требования к ОУ

Для устойчивого и высокоточного выполнения математических операций над сигналами с характеристики реального ОУ должны приближаться к характеристикам рассмотренного выше идеального ОУ, а именно следующими свойствами реальный ОУ должен удовлетворять следующим требованиям:

1) высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и в области нулевых частот;

2) малым напряжением смещения нуля;

3) малыми входными токами по обоим входам;

4) высокими входными сопротивлениями по обоим входам;

5) низким выходным сопротивлением;

6) амплитудно-частотная характеристика ОУ должна иметь наклон в -20 дБ/дек в области высоких частот вплоть до частоты единичного усиления f т.

Из первого требования следует, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать, несколько каскадов усиления. Блок-схема ОУ приведена на рис. 4 .

Рис. 4. Блок-схема ОУ

Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей входного напряжения, входные токи и входное сопротивление, поэтому он выполняется по дифференциальной схеме.

Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение принимает некоторое значение, не равное нулю. Смещение нуля определяют обычно через приведенное к входу напряжение смещения, под которым понимают такое дифференциальное напряжение V O FF , которое нужно приложить к входу усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю. Смещение нуля, по сути, является аддитивной погрешностью выполнения математических операций ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временной дрейфы.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала характеризует точность ОУ при дифференциальном включении. Он численно равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, которое вызывает такое же приращение выходного напряжения ОУ. Обычно измеряется в дБ.

Выходное сопротивление реальных ОУ существенно отличается от идеала и для большинства типов ОУ составляет величину порядка нескольких десятков или сотен Ом. Однако благодаря отрицательной обратной связи по напряжению динамическое выходное сопротивление схемы на ОУ существенно уменьшается. Физически это объясняется тем, что при подключении нагрузки выходное напряжение снижается из-за падения напряжения на выходном сопротивлении ОУ, а, следовательно, снижается и напряжение обратной связи: это приводит к увеличению дифференциального входного напряжения и, как следствие к возрастанию выходного напряжения практически до исходного значения.

Параметры ОУ

Параметры ОУ можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K V , коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля V OFF , входной ток I IN , разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I р , коэффициент подавления нестабильности питания Кпп и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров, а также шумовые параметры. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на выходное напряжение ОУ отличается от расчетного.

Погрешность ОУ, вносимая конечным значением дифференциального коэффициеита усиления K V определяется выражением

Коэффициент усиления K V существенно зависит от величины сопротивления нагрузки.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) показывает, какое значение дифференциального входного напряжения следует приложить к входу ОУ, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала. КОСС тесно связан по величине с дифференциальным коэффициентом усиления ОУ.

Погрешность, обусловленная смещением нуля ОУ, проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное к входу, т. е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи β Смещение нуля является результатом действия двух факторов: собственно напряжения смещения V O FF и разностью постоянных входных токов усилителя по дифференциальным входам I р . V OFF у современных ОУ находится в пределах от десятков до сотен мкВ, I р составляет (15-25)% от входного тока I IN . В ОУ с полевыми транзисторами на входах составляющая рассматриваемой погрешности, обусловленная I р пренебрежимо мала в сравнении с влиянием V O FF . Величина смещения нуля существенно зависит от температуры и времени (температурный и временной дрейф).

Шумовые параметры ОУ характеризуют нормированными эквивалентными величинами:

коэффициентом шума F либо логарифмическим коэффициентом шума NF;

эквивалентным шумовым сопротивлением R N _экв.

Коэффициент шума F показывает, во сколько раз отношение мощности шума к мощности сигнала на выходе ОУ увеличивается по сравнению с аналогичным отношением на его входе. Логарифмический коэффициент шума NF (noise factor) определяется через F следующим образом:

Эквивалентное шумовое сопротивление R N _экв представляет собой величину сопротивления незамкнутой цепи, порождающей такую же мощность шума как и на выходе ОУ.

Основные виды шума в ОУ: тепловой, дробовый и фликкер-шум.

Тепловой шум генерирует на своих выводах любая цепь с активным сопротивлением R . Этот шум является белым гауссовым. Среднеквадратическое значение теплового шума, на зажимах незамкнутой цепи с сопротивлением R в полосе частот Δf при абсолютной температуре T выражается формулой , где B=1,38∙10-23 [Дж/град∙Гц] постоянная Больцмана.

Дробовый шум возникает вследствие того, что число зарядов, проходящих через некоторое сечение проводящей среды в единицу времени (т.е. электрический ток) случайным образом флуктуирует вокруг некоторого среднего значения. Среднеквадратическое значение флуктуаций тока в полосе частот Δ f при независимых зарядах определяется формулой , где e=1,6∙10-19 [Кл] заряд электрона, I ∞ постоянная составляющая (среднее значение) тока.

Фликкер-шум в ОУ вызывается захватом зарядов ловушками, образуемыми неоднородностями структуры полупроводника. Его частотный спектр описывается зависимостью 1/ f , где f частота. В наибольшей степени фликкер-шум проявляется в области низких частот, где его спектральная плотность может значительно превышать спектральную плотность дробового и теплового шума.

В технических характеристиках ОУ обычно указывают следующие шумовые параметры: спектральную плотность входного напряжения шума e N , спектральную плотность входного тока шума i N и размах входного напряжения шума от пика до пика E Nп.п в полосе частот 0.1. 10 Гц, т. е. там, где наиболее сильно проявляется фликкер-шум. ОУ, у которых e N не превышает относят к малошумящим. Для них характерны относительно низкие входные сопротивления и достаточно большие токи потребления.

Динамические параметры ОУ характеризуют его быстродействие. Их можно разделить на две группы: параметры для малого и параметры для большого сигналов. К первой группе параметров относятся: полоса пропускания f п , частота единичного усиления f T и время установления t уст . Эти параметры называются малосигнальными, т. к. они измеряются в линейном режиме работы всех каскадов ОУ. Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения ρ и мощностная полоса пропускания f р .

Полоса пропускания f п и частота единичного усиления f T определяются по логарифмической амплитудно-частотной характеристике (рис. 4).

Время установления t уст определяется по переходной характеристике (рис.5) от момента

подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, с которого выходное напряжение не будет отличаться на заданную величину δ от установившегося значения.

Полоса пропускания ОУ по мощности (мощностная полоса пропускания) f р определяется при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала и гармоническом входном сигнале. Под f р понимают частоту входного сигнала, при которой уровень выходного сигнала для указанных условий уменьшается на 3дБ относительно выходного сигнала на низких частотах.

Параметры, характеризующие усиление сигналов переменного тока. Эти характеристики важны при применении ОУ в усилителях низкой частоты (аудиоусилителях) и для характеристики быстродействующих ОУ, применяемых в системах связи.

Отношение сигнал/шум это отношение среднеквадратичного значения входного сигнала к среднеквадратичному значению шума, который определяется как сумма всех спектральных компонент за исключением основной гармоники и постоянной составляющей. Измеряется для уровня входного сигнала, составляющего -1 дБ от максимального значения.

Суммарный коэффициент гармоник это выраженное в дБ отношение мощности суммы высших гармоник выходного сигнала к мощности первой гармоники при гармоническом входном сигнале.

Динамический диапазон - это выраженное в дБ отношение основной гармоники сигнала к максимальной паразитной составляющей (максимальной гармоникой или шумовой компонентой) в выходном сигнале при максимальном входном сигнале.

Интермодуляционные искажения - это выраженное в дБ отношение мощности суммы комбинационных составляющих выходного сигнала к мощности основной гармоники при нескольких гармонических сигналах на входе ОУ. При тестировании ОУ по международному стандарту CCIF, на его вход подаются две синусоиды с частотами близкими к верхней граничной частоты входного сигнала и измеряются комбинационные составляющие второго и третьего порядка. Наиболее важны комбинационные составляющие третьего порядка, так как они обычно близки к частотам входных сигналов.

Коэффициент подавления двухтональных интермодуляционных искажений - - отношение мощности одного из двух гармонических входных сигналов к мощности максимальной интермодуляционной компоненты третьего порядка.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей, требования к источникам питания и допустимый температурный диапазон. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения; допустимый диапазон питающих напряжений; потребляемый от источника питания ток; максимальный выходной ток, максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании, максимально допустимые значения синфазных и 'дифференциальных входных напряжений.

Выводы и результаты

1. ОУ представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов. Характеристики схем на ОУ почти полностью определяются цепями внешних обратных связей, отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью. Реализация функциональных узлов устройств обработки сигналов на основе ОУ проста и технологична, поэтому ОУ можно широко использовать в качестве элементной базы для устройств обработки аналоговых сигналов.

2. Идеальный ОУ имеет следующие характеристики:

- бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (у реальных ОУ этот коэффициент составляет 10 3 ÷ 30∙10 6 );

- нулевое напряжение смещения нуля, т.е. при равенстве входных напряжений на дифференциальных входах выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ приведенное к входу смещение нуля лежит в пределах 10 -6 ÷ 50∙10 -3 );

- нулевые входные токи для обоих входов (у реальных ОУ они находятся в пределах от сотых долей пА до единиц мкА);

- нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

- коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

- мгновенный отклик на любое изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения лежит в пределах от единиц нс до сотен мкс).

3. Параметры ОУ можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Точностные параметры определяют точность работы функционального узла на ОУ при нулевой частоте входного сигнала (на постоянном токе). Динамические - характеризуют его быстродействие. Эксплуатационные - определяют допустимые режимы работы входных и выходных цепей ОУ, требования к источникам питания и допустимый температурный диапазон.

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд. - М.: ДОДЭКА-XXI, 2007. - 528 с. : ил.

2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника.- М.:Энергоатомиздат, 1983.- 216с.

3 .Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994.-352с.

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Содержание

1. Введение ________________________________________________ 2
2. История ___________________________________________________ 3
3. Обозначения _____________________________________________4
4. Основы функционирования _________________________________5
5. Идеальный операционный усилитель _________________________6
6. Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ _______________7
7. Отличия реальных ОУ от идеального_________________________8
8. Классификация ОУ_______________________________________10
9. Применение операционных усилителей
* Линейные системы____________________________________12
* Нелинейные системы__________________________________18
* Другие применения ___________________________________20
10. Список используемой литературы___________________________21

Работа содержит 1 файл

Реферат.doc

Содержание

Введение ______________________________ __________________ 2
История ______________________________ _____________________ 3
Обозначения ______________________________ _______________4
Основы функционирования ______________________________ ___5
Идеальный операционный усилитель _________________________6
Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ _______________7
Отличия реальных ОУ от идеального____________________ _____8
Классификация ОУ____________________________ ___________10
Применение операционных усилителей

Линейные системы_______________________ _____________12

Нелинейные системы_______________________ ___________18
Другие применения ______________________________ _____20

10. Список используемой литературы____________________ _______21

Введение

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилит ель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью , которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов , так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем . Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов .

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций ( сложение , вычитание , интегрирование , дифференциров ание и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах , электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Первые промышленные ламповые ОУ ( 1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов , в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем . В 1963 Роберт Видлар , инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965 ; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонент делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов . Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях, но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Обозначения

усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание , то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи . Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U₊ = 1,5…15 В, U_- = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

V_out: напряжение на выходе
V₊: напряжение на неинвертирующем входе
V₋: напряжение на инвертирующем входе
G_openloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется ( Единственным исключением является простейший аналоговый компаратор ) вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи G_openloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).
Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10 6 на постоянном токе ) и не поддаётся регулировке.
Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией , то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop. [2]
Бесконечно большое входное сопротивление входов V_- и V₊. Другими словами, ток , протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
Полоса пропускания : от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения, как в аналоговой, так и в цифровой технике.

Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Эти усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

1 Общие сведения

– большой коэффициент усиления по напряжению (в идеале К Þ ¥);

– большое входное сопротивление (в идеале R_вх Þ ¥);

– нижняя частота усиливаемых сигналов f_н = 0.

Последний параметр указывает на то, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока. Объясняется это требование тем, что одной из распространенных математических операций есть действия с константами, например, сложения переменных с константами. В этом случае математическая переменная будет реализовываться изменяющимся сигналом, константа – постоянным. В настоящее время сфера применения ОУ значительно расширилась и во многих случаях требование f_н = 0 не является обязательным и даже иногда вредным. Однако превратить УПТ в усилитель переменного тока можно достаточно просто (например, вводя разделительные емкости). Поэтому большинство массовых операционных усилителе выпускаются как усилители постоянного тока.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 1. В обозначении функции (¥ > – усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления) первый символ (¥) часто опускается.

Рисунок 1 – Условное обозначение операционного усилителя

Обычно операционные усилители имеют два вывода подключения питания минус Е и плюс Е. Выводы, служащие для коррекции нуля операционных усилителей, обозначаются символами NC (Null Correction) а те, к которым подключаются элементы частотной коррекции FC (Frequency Correction). Следует отметить, что в некоторых типах ОУ выводы коррекции могут отсутствовать. Обозначения функций выводов могут быть как отделены от основного поля , так и не иметь ограничительных линий.

Первые операционные усилители выполнялись на электронных лампах, в настоящее время они изготовляются в интегральном исполнении в виде микросхем (МС). Благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости, операционные усилители в настоящее время вытесняют транзисторные схемы при проектировании аналоговых устройств. Многие МС, выполняющие сложные функции по обработке аналоговых сигналов, строятся на основе схем, близких к схемам ОУ, либо включают в себя ОУ в виде собственных фрагментов.

2 Типы ОУ

В настоящее время промышленность выпускает сотни типов ОУ. Все они в первом приближении соответствуют идеальному ОУ – имеют очень большой коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, большое входное сопротивление и т.д. Все ОУ, в принципе, взаимозаменяемы, это значит, что в типовых схемах усилителей, генераторов, фильтров и т.д. в подавляющем большинстве случаев можно использовать любые ОУ.

Однако при проектировании специализированных электронных схем (например, высокочастотных, высокостабильных, миниатюрных и т.п.) целесообразно использовать специализированные ОУ, в которых улучшены те или иные параметры. В связи с этим различают обычно следующие виды ОУ:

– ОУ общего назначения;

– прецизионные, высокочастотные ОУ;

– микромощные, потребляющие незначительные токи от источников питания, иногда такие ОУ называются программируемыми;

– мощные ОУ, способные формировать сравнительно большие токи и напряжения.

Еще одним критерием сравнения ОУ является количество таких усилителей в одном корпусе (обычно один, два или четыре).

ОУ общего назначения предназначены для применения в аппаратуре, где нет необходимости в выполнении каких-либо специальных условий или требований. Такие ОУ имеют низкую стоимость, широкий диапазон напряжения источников питания, нередко при их использовании не требуется никаких дополнительных элементов, кроме источников питания, входных и выходных цепей. Очень часто такие ОУ имеют защиту входных и выходных цепей и внутреннюю частотную коррекцию, обеспечивающую работу ОУ во всех режимах. Частотный диапазон таких ОУ не очень большой – единицы, десятки МГц.

Прецизионные, высокочастотные ОУ характеризуются малыми входными погрешностями: низким уровнем входного напряжения сдвига и его дрейфа и незначительной величиной входного тока сдвига. Нередко такие ОУ имеют низкий уровень шумов, сравнительно большой дифференциальный коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазной составляющей. Как правило, имеют невысокое быстродействие. К этой группе можно также отнести ОУ с предельно малыми значениями входных токов (так называемые электрометрические ОУ), входные каскады которых выполняются на полевых транзисторах. В некоторых случаях в прецизионных ОУ используются вспомогательные схемы для динамического измерения и компенсации входного напряжения сдвига. И, наконец, для получения экстремально низких значений погрешностей по напряжению и току используют ОУ, выполненные по схеме МДМ (модуляция-демодуляция).

Быстродействующие ОУ позволяют работать с быстроизменяющимися сигналами. Среди них различают широкополосные ОУ, которые применяются в высокочастотных усилителях, фильтрах, генераторах и т.п. Кроме того, известны ОУ с быстрым установлением входного напряжения, предназначенные, прежде всего, для обработки импульсных сигналов (импульсные усилители, устройства выборки-хранения, пиковые детекторы, цифроаналоговые преобразователи).

Микромощные ОУ применяются в тех случаях, когда определяющим требованием является потребление минимальной мощности от источника питания. Это в первую очередь характерно для переносной или бортовой аппаратуры, работающей от батарей или аккумуляторов. Потребляемый ток таких ОУ может составлять несколько микроампер, и нередко существует возможность изменять его величину внешними элементами.

Мощные ОУ позволяют получать на выходе сравнительно большие напряжения (до нескольких десятков вольт) и тока (до одного ампера). Это позволяет строить схемы на основе таких ОУ, которые работают на сравнительно низкоомные нагрузки (например: головные телефоны в бытовой звуковой аппаратуре, двигатели постоянного тока небольшой мощности и т.п.). Для предотвращения теплового разрушения при выделении большой мощности такие ОУ всегда имеют специальные выводы для крепления к теплопроводу.

Для нормального построения схемы на основе ОУ необходимо иметь точку (землю), напряжение которой равно половине суммарного напряжения источников питания ОУ. Получить такую точку можно с помощью простейшего резистивного делителя напряжения R1 и R2. Если выбрать сопротивления резисторов одинаковыми R1 = R2, то напряжения на резисторах (т.е. напряжения питания ОУ) будут равны U_R1 = U_R2 = E_П / 2. Тогда выводы питания ОУ подключаются к однополярному источнику питания Е_П, а общая точка в схеме на основе ОУ подключается к средней точке резисторов R1 и R2. Проблема при таком подключении заключается в том, что земля схемы на основе ОУ не совпадает (по переменному току) с землей усилителя мощности, которая обычно соответствует одному из выводов источника питания. Поэтому эти две земли необходимо соединить между собой через конденсатор С, сопротивление которого на самой низкой частоте усиления f_H должно быть достаточно малым (несколько десятков Ом).

3 Основные характеристики и параметры ОУ

Подавляющие большинство ОУ имеет на входе дифференциальный каскад, поэтому в ОУ различают инвертирующий и неинвертирующий входы (так же, как и в дифференциальных УПТ). Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов, его дифференциальный коэффициент усиления К_диф, как уже отмечалось выше, является весьма большим. Обычно его значение лежит в диапазоне 10000 … 100000 (80 … 100 дБ), и в новых ОУ имеет место тенденция к увеличению. Типовая амплитудно-частотная характеристика ОУ приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ

Кроме дифференциального входного сигнала, на ОУ может быть подан и синфазный входной сигнал, который, в результате несовершенства реальных схем, также проходит на выход. Характеристикой такого возможного проникновения является коэффициент ослабления синфазной составляющей КОСС, который показывает во сколько раз коэффициент усиления синфазного сигнала меньше коэффициента усиления дифференциального сигнала:

Типичные значения КОСС – 60 … 80 дБ, некоторые ОУ имеют – не менее 120 дБ.

Значительные величины как дифференциального, так и синфазного сигнала могут привести к пробою входных цепей и к выходу усилителя из строя. Поэтому их максимальные значения регламентируются в технической документации на ОУ. Обычно максимальные значения дифференциального входного напряжения равны значению источника питания ОУ, однако, для некоторых схем ОУ их величина не может превышать ±0,5 В.

Такие же ограничения необходимо выдерживать и для синфазного входного напряжения, но в большинстве ОУ их величина может быть большей, чем дифференциальное входное напряжение. Типичное значение максимального синфазного напряжения обычно равно напряжению питания, однако в некоторых случаях одно из них (положительное или отрицательное в зависимости от схемы входного каскада) может быть и больше.

Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

Параметры реальных ОУ несколько хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве.

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК), рис. 1.1.

Рис. 1.2. Схема простейшего дифференциального усилительного каскада

Дифференциальный каскад (рис. 1.2) обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.

Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению каскада определяется выражением:

( 1.1)

где r_э - динамическое сопротивление эмиттера транзистора. Дифференциальное напряжение обычно усиливается таким каскадом не более, чем в 100 раз.

Для того, чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одно и то же напряжение u_вх . В этом случае оба транзистора со своими коллекторными нагрузками включены по существу параллельно. Через резистор R_э протекают оба эмиттерных тока. Поэтому

Сопротивление r_э обычно много меньше Rэ и им пренебрегают. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) определяется как отношение

Пример. В дифференциальном каскаде использованы транзисторы с сопротивлением эмиттера rэ = 250 Ом. Сопротивления резисторов R_к =R_э =75 кОм. В этом случае К_диф =150, К_синф =0,5, КОСС=300. При питании от источников +/-15 В ток покоя цепей коллекторов равен 100 мкА при напряжении на коллекторах относительно общей точки 7,5 В.

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_К и R_Э , но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временная стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало (рис 1.3).

При таком включении U_КЭ =U_БЭ >U_КЭ.нас . Следовательно, транзистор Т₁ ненасыщен. Поскольку U_БЭ1 =U_БЭ2 , то при хорошо согласованных по параметрам транзисторах I_Б1 =I_Б2 =I_Б и I_К1 =I_К2 =BI_Б , где B - статический коэффициент передачи тока. При этом

Отсюда следует, чтоI_ВЫХ = BI_ВЫХ /(B+2).

Рис. 1.3. Схема токового зеркала

Таким образом, выходной ток схемы почти повторяет входной, почему эта схема и называется токовым зеркалом. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и КОСС свыше 100 000 (100 дБ).

Промежуточные каскады позволяют: получить большое усиление напряжения сигнала, изменить на 180° или сохранить нулевым фазовый сдвиг усиливаемого сигнала. В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады. Оконечный каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление. Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют эмиттерный повторитель.

Стандартная схема операционного усилителя. Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ μА741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рис. 1.4.

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе Т₉ . В некоторых ОУ (например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности, потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе Т₆ . Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе Т₁₀ . Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе Т₅ .

Рис. 1.4. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ μА741

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах Т₇ , Т₈ . Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.

Обозначение ОУ на принципиальных схемах. Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на рис. 1.5 (1 – инвертирующий вход, 2 – неинвертирующий вход, 3 – выход, 4 и 5 – выводы для подключения источника питания).

Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (^) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

Читайте также: