Операционные усилители: структура, обозначение, основные параметры и характеристики.

Усилители постоянного тока (УПТ), общая хар – ка и их особенности.

Во многих случаях, особенно при контроле и измерении неэлектрических величин, требуется усиления постоянных токов или сигналов низких частот. Для этого применяют усилители постоянного тока (УПТ), у которых связь между каскадами выполняется с помощью резисторов. Поэтому коэффициент усиления УПТ остается практически неизменным в большой полосе частот, начиная от нуля до граничной частоты

Большим недостатком УПТ является так называемый дрейф нуля, заключающийся в том, что с течением времени на выходе усилителя появляется напряжение при отсутствии напряжения на входе.

Для борьбы с дрейфом нуля применяют:

- стабилизацию напряжения питания,

- стабилизацию температурного режима,

- дифференциальные (балансные) схемы.

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный УПТ, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с ООС.

Так как ОУ является УПТ, то на входе, выходе и между каскадами у него отсутствуют конденсаторы.

fгр
Кур
f

 

Нужно подчеркнуть, что реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах в промышленных масштабах практически невозможно. Большой коэффициент усиления, высокие термостабильность и помехозащищенность, другие параметры, благодаря которым ОУ можно назвать высококачественным, достигается ценой десятков и сотен транзисторов.

Любой ОУ содержит входной ДУ, каскад усиления напряжения и выходной каскад усиления мощности. Поэтому ОУ имеет два входа, которые называют инвертирующим и неинвертирующим. Возможны два варианта обозначения ОУ (рис.2.15): без дополнительных полей (вариант а) и с дополнительными полями (вариант б). Инвертирующий вход отличает обозначение окружностью. Дополнительные поля отчерчиваются прямыми и обозначаются соответственно их назначению, например, FC – выводы частотной коррекции, NC – выводы балансировки.

FC
а)
FC
NC
NC
0V
+U
–U
б)
uвх1
uвх2
uвых uвх
 

 

Современные ОУ, как правило, имеют цепи внутренней частотной коррекции, а дополнительная балансировка часто не требуется. Поэтому ОУ, у которых дополнительные выводы в конкретной схеме не используются, целесообразно обозначать в упрощенном виде – без дополнительных полей.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на ОУ:

1) общего применения, где к ним не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента;

2) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления;

3) быстродействующие, имеющие большую скорость изменения выходного напряжения и использующиеся для построения импульсных и широкополосных устройств.

Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), их удобно использовать в батарейной аппаратуре. У многих имеется защита от перегрузок и коротких замыканий по выходу. Большинство выпускаемых ОУ имеет напряжение питания 3…15 В.

Все параметры ОУ делят на две группы: статические (по постоянному току) и динамические.

Основные статические параметры ОУ:

1) коэффициент усиления напряжения (коэффициент усиления дифференциального сигнала) Куu = Duвых / Duвх. Для современных ОУ он может достигать нескольких миллионов; 2) коэффициент ослабления синфазного входного сигнала Кос.сф. Он равен 60…120 дБ; 3) напряжение смещения Uсм – значение напряжения на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления. Показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ, чтобы получить на выходе uвых = 0. Для получения Uсм = 0 необходима дополнительная балансировка. Напряжение смещения находится в пределах Uсм = 0,005…50 мВ; 4) входные токи Iвх1, Iвх2, разность входных токов DIвх = ½Iвх1 – Iвх2½, определяемые при uвых = 0. Нормирование вызвано необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного ДУ. Разность токов обусловливает появление между входами дифференциального напряжения; 5) температурные дрейфы напряжения смещения DUсм/DТ, разности входных токов DIвх/DТ – характеризуют изменение соответствующих параметров при изменении температуры. Эти параметры важны для прецизионных усилителей, так как скомпенсировать температурные изменения сложно; 6) напряжение питания Uпит. Различают номинальное напряжение питания и допустимый диапазон напряжений питаний; 7) выходной ток Iвых (5…20 мА); 8) входное сопротивление Rвх0 (0,1…1000 МОм).

Динамические параметры ОУ:

1) верхняя граничная частота полосы пропускания fВ. Граничной считают частоту, на которой коэффициент усиления снижается в раз (по сравнению с f = 0); 2) скорость нарастания выходного напряжения VUвых – максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Параметр определяет минимальную длительность фронтов выходного сигнала.

36. Использование операционных усилителей для построения аналоговых схем: инвертирующий и неинвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор.

Инвертирующий масштабный усилитель. Неинвертирующий вход ОУ соединен с общей точкой, поэтому его потенциал j+ = 0. Так как Duвх = 0, то потенциал инвертирующего входа j– = 0. Поэтому точку 1 называют «виртуальной» или «искусственной землей».

Мы допустили, что входные токи равны нулю: Iвх = 0, тогда i2 = i1 или, выражая равенство через входное и выходное напряжения, получим

,откуда

 

 

,

KU = uвых / uвх = –R2 / R1.

Знак «–» означает, что полярность выходного напряжения uвых противоположна полярности входного uвх (отсюда и название «инвертирующий»). Коэффициент усиления KU такого усилителя определяется лишь соотношением сопротивлений резисторов R1, R2 и не зависит от Kуu.

Очевидно, что входное сопротивление усилителя Rвх = R1.

Iвх
uвых
R1
DA1
i2
i1
R2

 

 

Неинвертирующий масштабный усилитель. Так как Du = 0, то ,

.

Коэффициент усиления напряжения также определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Кроме того, полярность выходного напряжения совпадает с полярностью входного (отсюда название усилителя).

Отличительная особенность неинвертирующего масштабного усилителя – высокое входное сопротивление: Rвх = Rвх0(1 + Kуu / KU).

Если на инвертирующий вход подать полностью все напряжение uвых, что соответствует R2 = 0, то получится повторитель напряжения (KU = 1). Его применяют тогда, когда требуется получить высокое входное сопротивление и/или минимальное выходное, т.е. как эмиттерный повторитель. Если включить конденсатор вместо резистора R2 (рис 2.18,б), то получится интегрирующий усилитель, а вместо резистора

R1 – дифференцирующий усилитель.

Сумматор – устройство, выполняющее операцию сложения цифровых кодов двух чисел.

Простейший сумматор двух двоичных переменных А и В (рис.3.7) имеет два входа для двоичных чисел А и В, выход для суммы S и выход С для переноса в следующий сумматор (С равен 1, если веса S не хватает для отражения результата). Сумматор выпускают в интегральном исполнении (например, К155ИМ2).

 

Они находят широкое применение, особенно для обработки и усиления сигналов, поступающих от датчиков физических величин, например температуры, механической нагрузки или показателя кислотности воды. Чтобы достичь нужной точности, следует соблюдать идентичность парных резисторов. Это требование играет более важную роль, чем точный подбор абсолютных значений сопротивлений.

uвх
uвых
R1
DA1
R2
uОС
Du
Применяются последовательные и параллельные многоразрядные сумматоры. У сумматора с параллельным переносом время выполнения операции суммирования значительно меньше, чем у последовательного сумматора. Для чисел большой разрядности применяют сумматоры с групповым переносом. Такой сумматор получают из нескольких сумматоров меньшей разрядности. При этом используется последовательный или параллельный межгрупповой перенос.

Идеальный дифференциатор способен усиливать паразитные высокочастотные помехи входного сигнала. На практике применяются схемы дифференциаторов, реализующие операцию дифференцирования приближенно. Зависимость между входной и выходной величиной можно представить в виде формулы:

 

где y(t) — выходная величина, x(t) — входная, k — коэффициент передачи. Напряжение на выходе для идеального дифференциатора вычисляется по формуле:

 

A
B
S
&
=1
C
а)
где uout — выходное напряжение, uin — входное.

Аналоговый интегратор — аналоговый функциональный блок в АВМ структурного типа, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Интегратор представляет собой конденсатор (напряжение на котором пропорционально интегралу по времени от тока, протекающего через него), включенный в цепь обратной связи усилителя операционного. Напряжение на выходе операционного усилителя выражается формулой:

 

где Uout — напряжение на выходе, Uin — напряжение на входе.

Интегратор на пассивных элементах (RC-цепь) является лишь приближённым: напряжение на выходе примерно пропорционально интегралу от входного лишь для времён, много меньших постоянной времени T = RC. Интегратор на операционном усилителе можно считать точным в силу очень большого коэффициента усиления (сотни тысяч) и очень малых входных токов (доли наноампера). При этом выходное напряжение оказывается практически равным минус напряжению на конденсаторе, ток через конденсатор - практически равным току через резистор и напряжение на резисторе - практически равным входному.