Оу схемы включения – 17. Регуляторы как элементы замкнутых систем аэп. Основные схемы включения операционных усилителей и области их применения.

24 Операционные усилители, их основные параметры и схемы включения.

Усилители,
позволяющие выполнять операции
суммирования, интегрирования,
дифференцирования и логарифмирования,
представляют основу аналоговых
вычислительных машин. Используемые
обычно для этих целей усилители
постоянного тока, помимо малого дрейфа,
должны иметь большой коэффициент
усиления и допускать охват их глубокой
обратной связью без нарушения устойчивости.

ОУ
– это усилители постоянного тока с
дифференциальным входом, обладающие
весьма большим коэффициентом усиления
(до 100 дБ), широкой полосой пропускания
(от постоянного тока до 100 МГц), высоким
(до 100 МГц) входным и низким (десятки Ом)
выходным сопротивлениями.

Основные
параметры операционных усилителей

1.
К – собственный коэффициент усиления
ОУ ( без обратной связи).

2.
Uсдв — Выходное напряжение сдвига.
Небольшое напряжение, возникающее из-за
несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении
на обоих входах. Обычно Uсдв имеет
значение 10 — 100 мВ.

3.
Iсм — Входной ток смещения. Ток на входах
усилителя, необходимый для работы
входного каскада операционного усилителя.

4.
Iсдв — Входной ток сдвига. Разность токов
смещения появляется вследствие неточного
согласования входных транзисторов. сдв
см1 см2 I =
I
I .

5.
Rвх — Входное сопротивление. Как правило,
Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6.
Rвых — Выходное сопротивление. Обычно
Rвых не превосходит сотен Ом.

7.
Косс — Коэффициент ослабления синфазного
сигнала. Характеризует способность
ослаблять сигналы, приложенные к обоим
входам одновременно.

8.
Ток потребления. Ток покоя, потребляемый
операционным усилителем.

9.
Потребляемая мощность. Мощность,
рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная
скорость нарастания выходного напряжения
(В/мкс) .

11.
U пит. — Напряжение питания.

12.Переходная
характеристика. Сигнал на выходе
усилителя при подаче на его вход скачка
напряжения.

Основные
схемы включения ОУ
.

В
инвертирующем
усилителе
(рис.3.18.),
входной и выходной сигналы сдвинуты по
фазе на 180º. Если Uвх, положительное то
напряжение в точке А, а значит и Uд , также
станет положительным, а Uвых уменьшится,
что приведет к уменьшению на инвертирующем
входе до величины Uд =Uвых / К ≈ 0. Точку
А часто называют виртуальной
землей
,
потому, что ее потенциал почти равен
потенциалу земли, так как Uд, как правило,
весьма мало.

Коэффициент
усиления с обратной связью рассматриваемой
схемы равен Кос.

Выходное
напряжение инвертировано, о чем говорит
и отрицательное значение Кос.

Так
как, благодаря обратной связи, в точке
А сохраняется приблизительно нулевой
потенциал, входное сопротивление схемы
инвертирующего усилителя равно R1..
Сопротивление R1 должно быть выбрано
так, чтобы не нагружать источник входного
сигнала, и, естественно, Rос
должно быть достаточно большим, чтобы
чрезмерно не нагружать операционный
усилитель.

Неинвертирующий
усилитель
может
быть также реализован на ОУ с высоким
входным сопротивлением, коэффициент
усиления которого по напряжению также
может быть задан с помощью сопротивлений
R1 и Rос.

В
схеме повторителя
напряжения на ОУ

Uвых обратная связь поступает с выхода
усилителя на инвертирующий вход. Так
как усиливается разность напряжения
на входах ОУ — Uд, то можно увидеть, что
напряжение на выходе усилителя Uвых =
Uд · К.

Входное
напряжение связано с землей только
через входное сопротивление усилителя,
которое очень велико, поэтому повторитель
может служить хорошим согласующим
каскадом.

Усилитель с
дифференциальным входом
имеет
два входа,
причем
инвертирующий и неинвертирующий входы
находятся под одинаковым напряжением,
в данном случае равным Uос, так как
разность напряжений между инвертирующим
и неинвертирующим входами очень мала
(обычно меньше 1мВ),.Если задать U1 равным
нулю и подать входной сигнал по входу
U2, то усилитель будет действовать как
неинвертирующий усилитель, у которого
входное напряжение снимается с делителя,
образованного резисторами R2 и R΄ос. Если
оба напряжения U1 и U2 подаются на
соответствующие входы одновременно,
то сигнал на инвертирующем входе вызовет
такое изменение выходного напряжения,
что напряжение в точке соединения
резисторов R1 и Rос станет равным Uос.
Полярность выходного напряжения
определяется большим из напряжений U1
и U2. Очевидно, что если U2 на рис.3.21 равно
нулю, то усилитель будет действовать
по отношению к U1 как инвертирующий
усилитель.

Идеальный
ОУ отрабатывает изменения только
дифференциального входного сигнала и
не реагирует на изменения синфазного
напряжения. В реальных же ОУ изменение
синфазного входного напряжения вызывает
изменение (правда, весьма незначительное)
выходного напряжения. Способность ОУ
отличать дифференциальный входной
сигнал от изменений синфазного напряжения
является одной из его важнейших
характеристик. Количественно эта
способность называется коэффициентом
ослабления синфазных входных напряжений,
равным отношению коэффициента усиления
ОУ к его коэффициенту усиления синфазных
входных напряжений.

Коэффициент
усиления напряжения ОУ определяют как
отношение приращения выходного напряжения
к вызвавшему это приращение значению
входного напряжения. Частота входного
сигнала, при которой уменьшается на 3
дБ (1,4 раза) по сравнению с его значением
на низших частотах, определяет верхнюю
границу полосы пропускания усилителя.

Отношение
приращения входного напряжения к
приращению активной составляющей
входного тока на заданной частоте
сигнала называют входным сопротивлением.
Это сопротивление следует отличать от
входного сопротивления ОУ для синфазных
входных напряжений,
которое определяется как отношение
приращения синфазных входных напряжений
к приращению активной составляющей
среднего входного тока на заданной
частоте сигнала.

Важнейшим
выходным параметром ОУ является
максимальное выходное напряжение:
наибольшее неискаженное напряжение
при определенном входном напряжения и
заданном сопротивлении нагрузки. Для
некоторых типов ОУ это напряжение может
быть различным для положительной и
отрицательной полярности сигнала.

  1. Использование
    усилительных операций для реализации
    вычислительного алгоритма

Рисунок
1.1 — Схема дифференциального усилителя

Стандартная
схема ДУ на ОУ представлена на рис. 1.1.
Нетрудно увидеть, что в отличие от
рассмотренных ранее усилителей в схеме
рис.1.1 усиливаемый сигнал подается на
дифференциальный вход ОУ. Предположим,
что на вход подается ДУ только полезный
сигнал, который может быть представлен
в виде разности двух источников напряжения
U1 –
U2 =
E0,
включенных по схеме с общей точкой. Как
известно из теории работы ОУ, для них
справедливо правило виртуального нуля,
то есть потенциалы инвертирующего и
неинвертирующего входов можно считать
одинаковыми (Uд = 0). Исходя из схемы
включения, оба входа будут находиться
под напряжением U0

Применив
метод суперпозиции, рассмотрим две
конфигурации схемы. В схеме на рис. 1.2
U2 =
0 и схема превращается в стандартный
инвертирующий усилитель.

Рисунок
1.2

Так как входными
токами ОУ можно пренебречь, через
резисторы R2 и
R4 токи
не протекают, а значит напряжение U0 =
0. В этом случае напряжение на выходе: 

В схеме на рис.
1.3 U1 =
0 и конфигурация схемы соответствует
неинвертирующему усилителю, входным
напряжением которого является U0,
подаваемое на вход с делителя R2 —
R4.
Напряжение на выходе: 

где 

Если
подать напряжение на оба входа
одновременно, то в соответствии с теорией
работы ОУ, напряжение на инвертирующем
входе всегда будет поддерживаться на
уровне U0.

Рисунок
1.3

Приняв входное
сопротивление ОУ равным бесконечности,
можно записать 

I1 =
I3;
I2 =
I4.

В то же время
справедливо соотношение: 

то есть: 

Преобразуем
данное выражение и получим: 

Как следует из
полученного выражения , выходное
напряжение представляет собой
алгебраическую сумму напряжений,
полученных на выходах неинвертирующего
и инвертирующего усилителей при
заземлении соответствующих входов ДУ.
Если в полученное выражение подставить
значение для U0,
то получим: 

Если в данной
схеме выполнить равенство R1 = R2, R3 = R4, то
получим: 

Можно считать
это соотношение основным, связывающим
выходное и входное напряжения
дифференциального усилителя, то есть: 

UВЫХ =
К · Е0,

где
Е0 = (U2 – U1) – входное дифференциальное
напряжение ДУ; 

коэффициент усиления ДУ. Следует помнить,
что на вход ДУ подается дифференциальное
напряжение, то есть это может быть сигнал
от изолированного источника, не связанного
с «землей». На выходе ДУ получается
униполярный сигнал, снимаемый относительно
«земли». Причем полярность выходного
напряжения определяется большим из
U1 и
U2,
то есть, фактически, полярностью входного
напряжения. 

Выбор сопротивлений
в схеме ДУ производится исходя из тех
же соображений, что и для инвертирующего
и неинвертирующего усилителей. С учетом
того, что инвертирующий и неинвертирующий
входы ОУ потенциально объединены,
входное сопротивление ДУ может считаться
равным RВХ =
R1 +
R2

  1. Генераторы
    гармонических колебаний

Генератор
(производитель) гармонических колебаний
представляет собой усилитель с
положительной обратной связью. Усилитель
с отрицательной обратной связью
является дискриминатором(подавителем,активным
фильтром). Усилитель генератора может
быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной
обратной связи выполняют две функции:
сдвиг сигнала по фазе для получения
петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра,
пропускающего нужную частоту. Функции
сдвига фазы и фильтра могут быть
распределены на две составные части
генератора — на усилитель и на цепи
положительной обратной связи или целиком
возложены на цепи положительной обратной
связи. В цепи положительной обратной
связи могут стоять усилители.

Необходимыми
условиями для возникновения гармонических
незатухающих колебаний являются:
1.
петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,
2.
петлевое усиление >1,
3. рабочая точка
усилительного каскада в середине
диапазона входных значений.
Необходимость
третьего условия.
Петлевой сдвиг фазы
и в триггере и в генераторе равен
около 360°. Петлевое усиление в триггере
почти вдвое больше, чем в генераторе,
но триггер не генерирует, так как рабочие
точки каскадов в триггере смещены на
края диапазона входных значений и эти
состояния в триггере устойчивы, а
состояние со средней величиной входных
значений — неустойчиво. Такой
характеристикой обладает компаратор.
В
гармоническом генераторе среднее
состояние устойчивое, а отклонения от
среднего состояния неустойчивые.

  1. Условия
    баланса фаз и амплитуд. Амплитудные
    характеристики

Структурная
схема генератора

Для
возбуждения колебаний в системе рис
необходимо выполнение двух условий.
Первое состоит в обеспечении баланса
фаз, которое заключается в том, чтобы
фазовые сдвиги, создаваемые усилителем(φY)
и звеном обратной связи(φγ)
,
в сумме должны быть кратными 2П

Второе
условие , необходимое для возникновения
генерации, это условие баланса амплитуд
,
которое вытекает из общей формулы для
усилителя, охваченного положительной
обратной связью:

При
выполнении баланса амплитуд усилитель
компенсирует ослабление сигнала,
создаваемое звеном обратной связи, и в
схеме возникают устойчивые автоколебания.
Для получения синусоидальной формы
выходного сигнала используют несколько
способов построения схем.

studfiles.net

xx1. типовые схемы включения ОУ

Типовые
схемы включения ОУ

Большой
коэффициент усиления и наличие
инвертирующего и неинвертирующего
входов позволяют использовать ОУ в
самых разнообразных схемотехнических
задачах. Эффективность их решения
достигается введением отрицательной
обратной связи по выходному параметру
в усилителях напряжения и тока, и
положительной в генераторах.

Инвертирующее
включение ОУ
:
масштабирующий
усилитель

Инвертирующее
включение ОУ основано на свойствах
параллельной обратной связи по напряжению.
В этом случае коэффициент передачи
рассчитывается по формуле:

Или
для резистивных элементов:

При
условии
коэффициент передачи схемы не зависит
от собственного коэффициента усиления
ОУ, а определяется соотношением:

;

Входное
сопротивление для инвертирующего
включения:

Инвертирующее
включение ОУ
:
суммирующий
усилитель

Операция
суммирования является весьма
распространенной в аналоговой схемотехнике
и для её реализации используется схема
сумматора на ОУ.

Поскольку
сопротивление, пересчитываемое на
инвертирующий вход ОУ очень мало, то
взаимное влияние источников входных
сигналов практически отсутствует и
потребляемые от них токи равны
соответственно:

Суммарный
ток от источников входных сигналов
замыкается через сопротивление

Точность
выполнения различных операций с помощью
ОУ зависит как от точности элементов в
обвязке, так и от внутренних параметров
ОУ (входные токи, смещение нуля и пр.).

Резистор
подключенный к неинвертирующему входу
позволяет уменьшить влияние водных
токов на качество работы схемы.

Инвертирующее
включение ОУ
:
интегрирующий
усилитель

Обратимся
к схеме инвертирующего включения ОУ,
где роль сопротивления Z2
играет параллельное включение
.

Тогда
комплексный коэффициент передачи схемы
будет равен:

При
выполнении неравенства
выражение упрощается и становится
равным:

;

Резистор
R2
здесь необходим для снижения влияния
входных токов и смещения нулевого
уровня, из-за которых в начальный момент
времени на выходе может установиться
максимальное положительное или
отрицательное значение напряжения.

Неинвертирующее
включение ОУ

Схема
представляет собой классический пример
последовательной отрицательной обратной
связи по напряжению.

В
роли четырехполюсника обратной связи
резистивный делитель
,
коэффициент передачи звена обратной
связи.
Коэффициент усилителя с ПООС по
напряжению:

,
которое, при выполнении условия
упрощается и сводится к виду:;

Если
илито схема превращается в повторитель на
ОУ.

Дифференциальное
включение ОУ

Схема
дифференцирующего усилителя показана
на рисунке.

При
дифференцирующем включении входные
сигналы подаются на оба входа ОУ.

Рассматривая
выходное напряжение как результат
воздействия независимых сигналов
получим:

Или

Примем
соотношение:

Тогда
формула для выходного напряжения
упрощается и приобретает более
показательный вид:

Таким
образом, можно сделать вывод о том, что
дифференцирующий усилитель усиливает
разность входных сигналов.

Следует
обратить внимание на то, что в этой схеме
входы усилителя оказываются под
воздействием синфазного сигнала, что
необходимо учитывать как с точки зрения
его допустимой величины, так и с точки
зрения дополнительной погрешности на
выходе схемы.

Компараторы.

Компаратором
называются устройства, предназначенные
для сравнения двух или сигналов. Схема
простейшего компаратора представляет
собой ОУ без ОС, см рис.

Поскольку
коэффициент усиления разомкнутого ОУ
очень велик, то даже небольшая разница
напряжений U1
и U2
приведет к тому, что выходное напряжение
Ua
установится в максимальное или минимальное
значение. Это делает компаратор очень
точным (прецизионным) устройством
сравнения сигналов. Передаточная
характеристика простейшего компаратора
изображена ниже:

При
этом при смене знака разности напряжений
напряжение на выходе ОУ не может перейти
из одного состояния в другое мгновенно.
Для стандартных ОУ скорость изменения
выходного напряжения составляет около
1В/мкс. Тогда при максимальных выходных
напряжениях ±15В время перехода из одного
состояние в другое составит 30мкс. Добавим
сюда время восстановления при выходе
ОУ из состояния насыщения и, задержка
ещё увеличится. Поэтому, как правило, в
таких случаях используют специализированные
компараторы, которые предназначены для
работы без ОС и имеют очень малые значения
времени восстановления. На выходе таких
ОУ имеется встроенный преобразователь
уровня сигнала, который позволяет
подключать его непосредственно к
цифровым устройствам.

Двухпороговый
компаратор.

Фиксирует,
находится ли входное напряжение между
двумя заданными порогами.

Т.е.
при выполнении условия
на выходе обоих ОУ будут логические
единицы и на выходе схемы «И» также
будет единица.

Триггер
Шмидта
.

Триггер
Шмидта – это компаратор, у которого
уровни включения и выключения не
совпадают, т.е. компаратор устанавливается
в единицу, когда достигается один порог,
а сбрасывается в ноль, когда достигается
другой порог.

Рассмотрим
инвертирующий ТШ.

Верхний
порог срабатывания:

Нижний
порог срабатывания:

Разница
между порогами срабатывания называется
гистерезисом переключения:

Для
того чтобы схема имела два устойчивых
состояния, т.е. была бистабильной
необходимо, чтобы коэффициент петлевого
усиления был больше единицы:

,
где К
– коэффициент усиления ОУ, а
– коэффициент передачи контура ПОС.

Генератор
синусоидальных колебаний на ОУ с
колебательным контуром
LC.

ОУ,
включенный по неинвертитрующей схеме,
усиливает напряжение U1
в К раз:
.
В схеме используется резонансный контурLC,
сопротивление которого на резонансной
частоте обращается в бесконечность, и
тогда напряжение U2
практически становится равным напряжению
U1.
ОУ в данном случае компенсирует потери
в колебательном конутре. Из первого
закона Кирхгофа для указанного узла
запишем дифференциальное уравнение
затухающих колебаний:

Введем
ообзначения:и перепишем уравнение в виде:

Это
уравнение имеет следующее решение:

.
Возможны три случая поведения схемы, в
зависимости от параметра
:

  1. ,
    т.е. K<1
    – затухающие колебания – амплитуда
    уменьшается по экспоненте.

  2. ,
    т.е. K=1
    – незатухающие синусоидальные колебания
    с постоянной амплитудой;

  3. ,
    т.е. K>1
    – амплитуда колебаний растет по
    экспоненциальному закону

Для
самовозбуждения генератора необходимо
выполнение условия K>1.
При этом амплитуда выходного сигнала
будет нарастатьт, пока ОУ не перейдет
в насыщение. В этом случае колебания
уже будут несинусоидальными.

Генератор
прямоугольных сигналов на ОУ

Схема
представляет собой инвертирующий
триггер Шмидта, охваченный отрицательной
обратной связью. Пороги срабатывания
(переключения) схемы определяются
резисторами
и:

Диаграмма
работы схемы:

Работу
схемы можно описать дифференциальным
уравнением первого порядка:

При
нулевых начальных условиях
решение этого уравнения можно записать
в виде:

Значение
напряжения на емкости, равное порогу
срабатывания будет достигнуто через
время:

Период
колебаний будет равен
.
При;.

9

studfiles.net

33 Типовые схемы включения ОУ

Типовые схемы включения операционных усилителей

Операционные усилителя используются в трех основных схемах вклю- чения: инвертирующей, неинвертирующей и комбинированной. Рассмотрим их.

1. Инвертирующее включение

Схема инвертирующего включения операционного усилителя приведена на рис. 1.

Рис. 1

Найдем коэффициент усиления по напряжению от точки подключения источника сигнала (точка1) до точки подключения нагрузки(точка2). В со-

ответствии с теорией обратной связи коэффициент передачи по напряжению усилительного тракта, охваченного отрицательной обратной связью выража-

ется формулой

 

K

 

 

K12F =

12

+ k12 ,

(1)

1+ T (0)

 

вх

 

 

где k12 – коэффициент прямого прохождения сигнала по цепи обратной свя- зи, K12 – коэффициент передачи в условиях разорванной обратной связи, Tвх (0) – коэффициент петлевой передачи при коротком замыкании входных

зажимов.

Если операционный усилитель обладает идеальными свойствами, тоk12 = 0, в силу нулевого выходного сопротивления операционного усилителя

(рис. 2).

Рис. 2

Для нахождения Tвх (0) сделаем разрыв петли обратной связи на выхо- де операционного усилителя(рис. 3).

Рис. 3

Вследствие нулевого выходного сопротивления операционного усилите- ляR’ = 0 , аR » = RF + R1 из-забесконечного входного. Петлевая передача на-

ходится следующим образом

 

 

 

 

 

 

 

Tвх (0) = K53K32

=

 

R1

 

K−

 

,

 

 

 

R1

+ RF

 

 

 

 

 

 

 

 

где K− — коэффициент передачи по напряжению для инвертирующего входа операционного усилителя. Инвертирующий характер усиления учтен знаком»+» в формуле(1).

Исходный коэффициент передачи схемы при разорванной обратной свя-

зи

K12

= K13K32

= −

 

RF

 

K−

 

.

 

 

 

R1

+ RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В данном случае инвертирующий характер усиления учтен знаком «-«. Подставляя найденные значения в формулу(1), получаем

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RF

 

 

K−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K12F =

 

 

R1

+ RF

 

 

 

 

 

 

= −

 

RF

K−

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

R + R+ R

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K−

 

 

1 F 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1 + RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

 

K−

 

→ ∞ получаем, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

= − RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12F

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

не зависит от точного значения

 

K−

 

 

 

и определяется только элементами цепи

 

 

 

обратной связи, точнее отношением сопротивлений резисторов.

Рассмотрим численный пример. Пусть выбраны следующие номиналы

резисторов R1=1 кОм, RF=10 кОм, а

 

 

 

K−

 

=1000 (не очень большое значение

 

 

 

 

для операционного усилителя). Тогда приближенное значение коэффициента усиления составит10, а точное9,8912.

Выбор конкретных значений сопротивлений в большой степени произ- волен. Важно, чтобы они существенно превышали собственное выходное со-

противление операционного усилителя и были много меньше его входных сопротивлений.

Инвертирующий повторитель напряжения получается при R1=RF. 2. Неинвертирующее включение

Схема неинвертирующего включения операционного усилителя приве- дена на рис. 4.

Рис. 4

В силу нулевого выходного и бесконечного входного сопротивлений операционного усилителя коэффициент прямой передачи сигнала по цепи обратной связи k12 = 0 (рис.5).

Рис. 5

Для нахождения Tвх (0) сделаем разрыв петли обратной связи на выхо- де операционного усилителя(рис. 6).

Рис. 6

Вследствие нулевого выходного сопротивления операционного усилите- ляR’ = 0 , аR » = RF + R1 из-забесконечного входного. Петлевая передача на-

ходится следующим образом

 

 

 

 

 

 

 

Tвх (0) = K56K62

=

 

R1

 

K−

 

,

 

 

 

R1

+ RF

 

 

 

 

 

 

 

 

где K− — коэффициент передачи по напряжению для инвертирующего входа операционного усилителя. Инвертирующий характер усиления учтен знаком»+» в формуле(1).

Исходный коэффициент передачи схемы при разорванной обратной свя- зиK12 = K+ . В данном случае источник сигнала подключен к неинвертирую- щему входу.

Подставляя найденные значения в формулу (1), получаем

4

 

 

 

 

K

=

 

 

 

K+

 

 

 

= −

(R1 + RF )K+

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12F

1+

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

R + R

+ R

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K−

 

 

 

1 F

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

+ RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

 

K−

 

→ ∞ и

 

K+

 

→ ∞ получаем, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

=1+

RF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12F

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

не зависит от точного значения K− иK+ и определяется только элемента-

ми цепи обратной связи, точнее отношением сопротивлений резисторов.

Повторитель напряжения с единичным коэффициентом усиления можно получить при выполнении одного из двух или обоих условий:

R1 → ∞,RF = 0 (рис. 7).

Рис. 7

3. Комбинированное включение

При комбинированном включении источники сигналов подключены к каждому из входов (рис. 8).

Рис. 8

Поскольку схема линейна, справедлив принцип суперпозиции, и переда- чу сигналов от каждого источника можно рассматривать независимо. Тогда

U

вых

=U

K

+U

K

=U

æ1+

RF ö

-U

RF .

 

 

вх+ 12F +

 

вх- 12F −

 

вх+ ç

R

÷

 

вх- R

 

 

 

 

 

 

 

è

1

ø

 

1

Как следует из формулы, схема комбинированного включения обеспе- чивает взвешенную разность входных сигналов.

studfiles.net

что это такое, принцип работы, схемы включения

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

  1. Предусилители.
  2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
  3. Компараторы U.
  4. Дифусилители.
  5. Диференциаторы.
  6. Интеграторы.
  7. Фильтрующие элементы.
  8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
  9. Стабилизаторы U и I.
  10. Вычислители аналогового типа.
  11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
  12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
  13. Устройства для генерации различных сигналов.
  14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Похожие статьи

odinelectric.ru

Основные схемы включения ОУ.




⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

ОУ относятся к ИМС малой степени интеграции. Однако наряду с некоторыми другими ИМС второй степени интеграции ОУ требуют иного подхода к проектированию содержащих их усилительных блоков.

ОУ имеет два входа: неинвертирующий ( + IN) и инвертирующий ( — IN). Положительное напряжение, приложенное к неинвертирующему входу, создает положительное напряжение на выходе, а приложенное к инвертирующему входу, создает отрицательное напряжение на выходе. Питание на ОУ подается от биполяр­ных источников, имеющих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжения V+ и V~. Размах выходного напряжения Uвых может изменяться от положительного до отрицательного значения, и ограничивается напряжениями источников питания. В типичных ОУ используются источники питания ±15 В, и размах входного напряжения должен ограничиваться ±10 В.

Рис. 1. 1. Условное обозначение ОУ.

ОУ имеют очень высокий коэффициент усиления, типичное значение которого составляет 200000, т. е. более 100 дБ. Это внутренний коэффициент усиления ОУ, называемый коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной связи, Аol. При реальной работе вводится отрицательная обратная связь, которая замыкает петлю обратной связи и значительно уменьшает коэффициент усиления.

Коэффициент усиления ОУ, Аol, определяется из соотношения

, (1.1)

где V_(+IN)-напряжение на входе +IN, V_(-IN)-напряжение на выходе —IN.

Поскольку Uвыхограничен источником напряжения, а Аol имеет очень большое значение, то разность напряжений U_(+IN) — U_(-IN) должна быть очень малой. Если же она велика, то ОУ будет заходить в область насыщения, что приведет к ограничению положительного и отрицательного значений его выходного напряжения.

Пример 1.1

Выходное напряжение ОУ ограничивается + 12 В. Определить максимальную разность напряжений между положительным и отрицательным значениями входных напряжений, если его коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи равен 150000.

Решение

Из (1.3) имеем

U_(+IN) — U_(-IN) = Uвых /Aol = 12 В/150000 = 80 мкВ.


Это напряжение так мало, что цифровые вольтметры, считывающие до трех десятичных разрядов, не смогут его обнаружить.

Виртуапьное заземление

Понятие виртуального заземления оказывает большую помощь в изучении ОУ. Из примера 1.1 следует, что разность напряжения на входах должна бытьочень малой, иными словами, U_(+IN) ≈ U_-IN. Это означает, что если один из входов подключен к земле, другой вход виртуально заземлен. Понятие виртуального заземления означает, что два входа являются в некотором приближении короткозамкнутой цепью в том смысле, что их напряжения должны быть одинаковыми. Входы ОУ не являются короткозамкнутой цепью в том смысле, что какой-либо ток может протекать между ними. Сопротив­ление между входами U_(+IN) и U_(-IN) поддерживается очень высоким, поэтому ток между ними практически отсутствует.

Инвертирующий усилитель

На рис. 1.2 приведена основная схема инвертирующего усилителя на основе ОУ. Входное напряжение подается на отрицательный вход через резистор R1, а резистор обратной связи Rf включен между входом и выходом. Читатель не должен путать входное напряжение схемы Vвх , которое подведено к R1, с напряжением на входах ОУ U_(+IN) или V_(-IN). В большинстве схем, включая и эту, они различны.

 

 

Рис. 1.2. Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления этой схемы очень легко вычислить с помощью понятия виртуального заземления. Так как напряжение положительного входа равно потенциалу земли, напряжение отрицательного входа также должно быть нулевым. Кроме того, ток, протекающий через R1 должен также протекать и через Rf , если предполагается, что входное сопротивление ОУ очень высокое. На основании принятых допущений можно записать:

 

(1.2)

Уравнение (1.2) показывает, что коэффициент усиления этой схемы опре­деляется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик ОУ. Это справедливо, если только ОУ не откажет полностью. Отрицательная обратная связь в этой схеме очень высокая, поэтому выходной сигнал обладает высокой стабильностью.



Пример 1.2

На рис.1.2 R1 = 5 кОм и Rf = 50 кОм. Коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи обратной связи равен 200 000. Если Vвх = 0,5 В .

Определить:

а) коэффициент усиления;

б) токи i1 и i2;

 

 

 

 

Av = Rf/R1 – (Vвых /Aol)(l/R1 + 1/Rf). (1.3)

 

 

Выражение (1.3) является более точной формулой для определения коэффи­циента усиления. Из него следует, что коэффициент усиления зависит также от Аol. Однако при увеличении Аol второй член уравнения уменьшается и (1.3) упрощается до (1.2) .

 

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель нельзя построить простым заземлением минусового входа и подачей входного сигнала на плюсовой вход, так как если Vвх и Vвых положительны, невозможно получить напряжение на выводе +IN ниже потенциала заземления. Однако неинвертирующий усилитель можно получить включением резисторов между входом и выходом, как показано на рис. 1.3. Для анализа этой схемы, предположим, что выходное напряжение равно V вых. Тогда

 

 

 

 

 

Рис.1.3. Неинвертирующий усилитель.

 

(1.4)

Пример 1.3

Напряжение Vвх = 0,5 В подается на вход неинвертирующего ОУ (рис. 1.3). Определить выходное напряжение и напряжение на входе ( -IN), если R1 = 1 кОм и Rf = 4 кОм.

Суммирующий усилитель

Схема на рис. 1.4 является резистивной суммирующей цепью. Напряжение в точке А

 

(1.5)

Если R1 = R2 = R3 = R и VA поддерживается небольшим за счет выбора Ra « R, то (1.3) упрощается

 

(1.6)

 

 

 

Рис. 1.4. Резистивная суммирующая цепь. Рис.1.5. Суммирующий усилитель .

Таким образом, VA пропорционально сумме приложенных напряжений.

Уравнение (1.6) становится менее точным при более высоких напряжениях или при дальнейшем увеличении VА. К недостаткам схемы также следует отнести малое значение VA. Добавление ОУ значительно улучшает точность этой схемы.

Суммирующий ОУ показан на рис. 1.5. ОУ устанавливает входное напряжение, которое соответствует VA на рис. 1.4, равным потенциалу заземления. Выходной ток является суммой входных токов:

if= i1 + i2 + i3.

Если резисторы равны между собой и равны Rf, выходное напряжение будет равно Vi + V2 + V3.

Пример 1.4

В схеме на рис. 1.5

Если резисторы на рис. 1.5 не равны, схема называется масштабирующей, или весовой схемой суммирования. Выходные напряжения масштабируются весовым коэффициентом каждого резистора. Уравнение для масштабирующей схемы суммирования имеет вид:

Vвых = — if Rf = (i1+i2+ i3)Rf = Rf (V1 /R1 +V2 /R2 + V3/R3). (1.7)

Масштабирующая схема суммирования часто используется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют цифровой сигнал на входе в аналоговый сигнал на выходе добавлением разрядов, преобразующих масштаб соответствующим весовым коэффициентом. Возможно, более прос­тым путем для выполнения этого является увеличение каждого резистора в два раза по сравнению с предыдущим резистором.

Пример 1. 5

В схеме на рис. 1.5

 

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения — это схема ОУ, которая используется для раз­вязки входа и выхода, или нагрузки. Она работает как суперэмиттерный повторитель. Перечислим основные характеристики повторителя напряжения.

Отметим, насколько близко повторитель напряжения приближается к идеальному эмиттерному повторителю.

 

Характеристики ОУ

При анализе ОУ в предыдущем разделе и при рассмотрении некоторых его наиболее распространенных включений в схемы предполагалось, что ОУ имеет идеальные характеристики: высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи и высокое входное сопротивление. В этом разделе характеристики существующих ОУ изучаются более подробно.

На рис.1. 7 представлена упрощенная основная схема ОУ. Транзисторы Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель, a Q3 является стабилизиро­ванным источником постоянного тока. Наличие эмиттерных резисторов и стабилизированного источника по­стоянного тока создает высокое входное сопротивление ОУ. Транзисторы Q4 и Qs образуют промежуточный каскад усиления для увеличения коэффициента усиления ОУ. Транзисторы Q7 и Q8 управляются Q6 и формируют комплемен­тарный выход, который может быть как положительным, так и отрица­тельным. Схема подобна выходному каскаду усилителя мощности , но предназначена для создания комплементарного выхода, а не выхода по мощности.

Микросхема uА741 (обычно называемая просто 741) относится к не­дорогим и наиболее доступным существующим ОУ. Его характеристики приведены в перечне технических характеристик на рис. 1.8. Хотя 741 и не является самым лучшим или самым современным ОУ, он подходит для многих применений и широко используется.

 

 

На рис. 1.8,a показан 741 в корпусе. Микросхема 741С в DIP-корпусе с восемью выводами используется наиболее широко и внешне похожа на микросхему таймера 555. На рис. 1.8. (на второй странице технических характеристик) помещены принципиальная электрическая схема (слишком сложная, чтобы рассматривать ее здесь) и максимально допустимые параметры ОУ. На третьей странице (рис. 1.8.) даны электрические харак­теристики, которые будут рассмотрены в следующих разделах. На рис. 1.8. приведены частотные характеристики и некоторые тестовые схемы, а на рис. 1.8. — некоторые из наиболее важных графических характеристик.

 

 

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ uА741М И uА741С

 

 

 

Рис. 1.8. Технические характеристики ОУ uА741 (предоставлено фирмой Texas Instruments, Inc.)

 

 

Принципиальная схема

 

 

 

.

 

Рис. 1.8. (Продолжение.)



Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

1.7.   Схемы включения операционных усилителей

Дифференциальное включение ОУ

На рис. 1.13 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства 1 идеального операционного усилителя (он обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению) разность потенциалов между его входами p и n равна нулю.

Соотношение между входным напряжением U1 и напряжением UP между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4:

.               (1.1)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной UN = UP, ток I1 определится из соотношения:

.              (1.2)

Вследствие свойства 3 идеального ОУ (обладает малыми входными токами) I1 = I2. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

UВЫХ = UP – I1R2                                                   (1.3)

Подставив выражения (1.1) и (1.2) в выражение (1.3), получим:

.                                       (1.4)

При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,

UВЫХ = (U1 – U2)R2 / R1                                       (1.5)

Нетрудно убедиться, что соотношения (1.4), (1.5) справедливы и в случае, если вместо резисторов R1 и R2 включены двухполюсники, содержащие в общем случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным входным сопротивлением, соответственно, Z1(s) и Z2(s).

Инвертирующее включение ОУ

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 1.14). В этом случае:

.             (1.6)

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству 1 идеального ОУ входной ток схемы равен:

I1 = U2 / R1.

Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству 1 идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение ОУ

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.15). Здесь коэффициент усиления схемы (K) найдем, положив в выражении (1.4) U2 = 0, R3 = 0, R4 бесконечно велико. Получим:

.              (1.7)

Как видно из выражения (1.7), здесь выходной сигнал синфазен входному. Ко

эффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями, и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению rД (рис. 1.16) приложено очень малое напряжение:

,

где  – коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи.

rono.ru/wp-content/image_post/micrshema/pic16_3.gif> Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный  U1/rД(1 + β KU). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+ KUβ. Согласно рис. 1.16, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

RВХ =  rД(1 + KU β) || rВХ.

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 109 Ом. Следует, однако, помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине. Это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно большие значения.

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный ОУ типа µА741 (см. рис. 1.16) имеет rВЫХ порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rВЫХ при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R1, R2. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения. Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется из выражения:

.

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой (см. рис. 1.16, полученная формула принимает вид:

.                                                (1.8)

При работе усилителя, охваченного обратной связью, значение UД не остается постоянным, а изменяется на величину:

dUД = – dUД = – β dUВЫХ.                                       (1.9)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет:

dUВЫХ = KUdUД – rВЫХ dIВЫХ.

Значением тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dUД из выражения (1.9) с учетом выражения (1.8), получим искомый результат:

.

Если, например, β = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а KU =105 , то выходное сопротивление усилителя µА741 снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Все изложенное справедливо в пределах полосы пропускания усилителя (fП), которая для µА741 составляет всего только 10 Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться,  так как  величина |KU| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20 дБ на декаду (см. рис. 1.12). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более fТ становится равным выходному сопротивлению усилителя без обратной связи.

electrono.ru

1.6 Основные схемы включения оу

В основе анализа
схем на операционных усилителях лежат
два следующих предположения.

  • Входы ОУ не
    потребляют тока и имеют очень большое
    сопротивление.

  • Напряжение
    между неинвертирующим и инвертирующим
    входами ОУ под действием отрицательной
    обратной связи становится равным нулю
    (принцип виртуального замыкания).

Основываясь
на этих предположениях, проведём анализ
простейших усилительных схем на ОУ.

1.6.1 Инвертирующий усилитель

Схема
инвертирующего усилителя показана на
рисунке 8. Используя два указанных выше
предположения, определим коэффициент
усиления по напряжению
и
нвертирующего
усилителя.

Рисунок
8 – Инвертирующий усилитель

Резисторы
R1
и
R2
образуют
цепь параллельной отрицательной обратной
связи по напряжению. Поэтому в соответствии
с принципом виртуального замыкания
разность потенциалов между входами ОУ
становится очень малой. Поскольку
неинвертирующий вход заземлен, то и на
инвертирующем входе появляется потенциал
близкий к нулю. При этом входной ток I1,
протекающий по резистору R1,
составит I1=U1/R1.
Поскольку вход ОУ имеет очень большое
сопротивление, то весь этот ток будет
протекать по резистору R2,
создавая падение
напряжения U2 = U1
۰R2/R1.
Здесь U1 = Uвх
, U2 = Uвых.
Поэтому
коэффициент усиления по напряжению K
оказывается равным К = –U2/U1.
Таким образом  К
= –
R2/R1.Знак
минус учитывает инверсию сигнала на
выходе усилителя. Входное сопротивление
усилителя Rвх = R1.
Выходное сопротивление очень мало.

1.6.2 Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего
усилителя показана на рисунке 9.

Рисунок
9 –
Схема неинвертирующего усилителя

Резисторы
R1
и
R2
образуют
цепь последовательной отрицательной
обратной связи по напряжению, поэтому
в соответствии с принципом виртуального
замыкания разность потенциалов между
двумя входами очень мала, то есть на
инвертирующем входе будет такое же
напряжение, как и на неинвертирующем.
Следовательно, через резистор R1
будет протекать ток I= U/ R1.
В силу высокого входного сопротивления
такой же ток будет протекать по резистору
R2
и падение напряжения на нем составит
U= U1۰R/ R1.
Выходное напряжение будет равно сумме
напряжений на инвертирующем входе и
падения напряжения на резисторе R2
,
то
есть U2=U1(1+R2/R1).
Поэтому коэффициент усиления по
напряжению K
окажется равным
K=1+R2/R1.

Влияние
напряжения смещения может быть исследовано
по схеме замещения, представленной на
рисунке 10. Напряжение
смещения оказывается приложенным
последовательно с входным напряжением.
Таким образом, на выходе, как и входное
напряжение, напряжение смещения будет
увеличиваться в
K
раз.

Рисунок
10 – Схема
замещения ОУ с отрицательной обратной
связью с учетом влияния напряжения
смещения

1.7 Коррекция частотной характеристики оу

Вследствие
наличия паразитных емкостей и
многокаскадной структуры операционный
усилитель по своим частотным свойствам
аналогичен фильтру нижних частот
высокого порядка. Типичная частотная
характеристика коэффициента усиления
Ko
операционного
усилителя без частотной коррекции
изображена на рисунке 11. Выше частоты
flчастотная
характеристика определяется первым
фильтром нижних частот с минимальной
граничной частотой. Коэффициент усиления
в этой области частот падает с ростом
частоты (наклон составляет 20 дБ/декада),
а фазовый сдвиг выходного напряжения
Uвых
относительно
входного Uд
достигает
φ = — 90°. Это
значит, что выходное напряжение отстает
по фазе от входного на 90°.

Рисунок
11 – Амплитудно-частотная
и фазочастотная характеристики
операционного усилителя (диаграмма
Боде).

Выше
частоты f2
начинает действовать второй фильтр
нижних частот и коэффициент усиления
уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/декада),
а фазовый сдвиг между Uд
и Uвых
достигает
φ = –180°. Это означает, что
отрицательная обратная связь, которая
осуществлялась подачей части выходного
напряжения на инвертирующий вход
усилителя, в этой частотной области
становится положительной. Как известно,
если имеется такая частота, для которой
фазовый сдвиг по цепи обратной связи
становится равным нулю (условие баланса
фаз), а коэффициент петлевого усиления
| K | >
1 (условие баланса амплитуд), в такой
усилительной системе могут возникнуть
автоколебания. Усилитель прекращает
выполнять свои функции, превратившись
в генератор. Коэффициент 
в этом
соотношении является коэффициентом
передачи цепи обратной связи. Таким
образом, как для инвертирующего, так и
для неинвертирующего усилителя он
определяется как =R1/(R1+R2).

Для
предотвращения самовозбуждения при
наличии отрицательной обратной связи
в усилитель вводятся частотно-корректирующие
цепь. Для этого соединяют через конденсатор
выход и вход (коллектор и базу – для
биполярного транзистора) одного из
транзисторов, входящих в состав ОУ. Как
правило, такая цепь изменяет
амплитудно-частотную и фазочастотную
характеристики операционного усилителя
таким образом, что при
фазовый сдвиг не достигает 1800..
Разность между 1800

и фазовым сдвигом на данной частоте
является запасом по фазе и от него
существенно зависит получаемый результат.
На рисунке 12 наглядно показано влияние
запаса по фазе на усилительные свойства
усилителя.

Рисунок
12 – Импульсные переходные характеристики
операционного усилителя, охваченного
обратной связью, при различных значениях
запаса по фазе

Наряду
со снижением полосы пропускания усилителя
частотная коррекция дает еще один
нежелательный эффект: скорость нарастания
выходного напряжения становится при
этом довольно малой величиной. Вследствие
ограниченного значения этой величины
при быстрых изменениях входного
напряжения возникают характерные
искажения сигнала, которые не могут
быть устранены путем введения отрицательной
обратной связи. Их называют динамическими
искажениями. В частности, за счет
недостаточной скорости изменения
выходного сигнала с увеличением частоты
начинает искажаться при большой амплитуде
выходного сигнала сигнал синусоидальной
формы. Часто при этом можно наблюдать,
как сигнал синусоидальной формы
превращается в сигнал пилообразной
формы. В этом случае иногда говорят, что
усилитель начал «пилить».

studfiles.net