
- •Федеральное агентство по образованию
- •1. Основы электрических измерений
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Точностные характеристики средств измерений
- •1.3. Анализ статических погрешностей электронных схем
- •2. Простейшие электронные цепи и методы их анализа
- •2.1. Основные понятия и определения
- •2.2. Применение операторного метода к расчету электрических цепей
- •2.2.1. Прямое преобразование Лапласа
- •2.2.2. Обратное преобразование Лапласа
- •3. Типовые структуры электронных устройств и их свойства
- •3.1. Последовательная структура и ее свойства
- •3.2. Параллельная структура и ее свойства
- •3.3. Встречно-параллельное соединение
- •3.4. Задачи
- •4. Пассивные полупроводниковые компоненты электронных цепей
- •4.1. Полупроводниковые диоды и стабилитроны
- •4.2. Примеры применения полупроводниковых диодов
- •4.3. Светодиоды
- •4.4. Фотодиоды
- •5. Активные полупроводниковые компоненты электронных цепей
- •5.1. Биполярные транзисторы и их применение
- •5.1.1. Структура и принцип действия биполярных транзисторов
- •5.1.2. Характеристики и параметры биполярных транзисторов
- •5.1.3. Обеспечение усилительного режима бт в схемах
- •В результате получаем
- •5.1.4. Малосигнальные эквивалентные схемы и усилительные параметры бт
- •5.1.5. Амплитудно-частотные характеристики бт
- •5.1.6. Элементы транзисторной схемотехники
- •5.2. Полевые транзисторы и их применение
- •5.2.1. Классификация и общие особенности полевых транзисторов
- •5.2.2. Статические характеристики и дифференциальные параметры
- •5.2.3. Способы задания смещения в усилительных каскадах на пт
- •5.2.4. Малосигнальные эквивалентные схемы и усилительные параметры пт
- •5.2.5. Температурная стабильность параметров пт
- •5.2.6. Передаточная функция и динамические свойства пт Инерционные свойства пт описываются передаточной функцией вида
- •5.3. Задачи
- •6. Интегральные микросхемы и их классификация
- •7. Аналоговые интегральные микросхемы и их применение
- •7.1. Операционные усилители и их применение
- •7.1.1. Понятие идеального операционного усилителя
- •7.1.2. Принципы и примеры расчета схем с операционными усилителями
- •7.1.3. Динамические свойства устройств на операционных усилителях
- •7.1.4. Точностные характеристики устройств на операционных усилителях
- •7.1.5. Применение операционных усилителей
- •7.1.6. Задачи
- •7.2. Компараторы
- •7.3. Аналоговые ключи и коммутаторы
- •7.4. Устройства выборки-хранения
- •7.5. Интегральный таймер
- •7.5.1. Задачи
- •7.7. Справочные данные на оу
- •8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
- •8.1. Цифро-аналоговые преобразователи (цап)
- •8.2. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)
- •9. Цифровые интегральные микросхемы и их применение
- •9.1. Элементы алгебры логики
- •9.2. Основные типы цифровых имс
- •9.3. Параметры цимс
- •9.4. Комбинационные логические цепи
- •9.4.1. Основные разновидности комбинационных логических цепей
- •9.4.2. Синтез комбинационных логических цепей
- •9.5. Последовательностные логические цепи
- •9.5.1. Классификация последовательностных логических цепей
- •9.5.2. Триггеры
- •9.5.3. Регистры
- •9.5.4. Счетчики импульсов
- •9.6. Применение цифровых имс в импульсных цепях
- •9.7. Задачи
- •10. Микросхемы полупроводниковых запоминающих устройств
- •10.1. Классификация полупроводниковых запоминающих устройств
- •10.2. Построение модулей памяти микропроцессорных систем
- •11. Элементы микропроцессорной техники
- •11.1. Общие сведения о микроконтроллерах семейства piCmicro
- •1. Ядро микроконтроллера
- •2. Периферийные модули
- •3. Специальные особенности микроконтроллеров
- •Ядро микроконтроллера
- •Порты ввода-вывода
- •Периферийные модули
- •11.2. Примеры применения микроконтроллеров piCmicro
- •11.2.1. Устройство управления четырьмя светодиодами
- •Incf portb, f ; включить крайний справа светодиод
- •11.2.2. Управление жки с помощью последовательного адаптера
- •11.2.3. Аналого-цифровое преобразование
- •11.3. Общие сведения о микроконтроллерах семейства avr
- •Режимы адресации программ и данных.
- •11.4. Примеры применения микроконтроллеров avr
- •11.4.1. Ик дальномер
- •Библиографический список
- •Оглавление
7. Аналоговые интегральные микросхемы и их применение
7.1. Операционные усилители и их применение
7.1.1. Понятие идеального операционного усилителя
Операционным усилителем (ОУ) будем называть интегральный усилитель постоянного тока, который в пределах своего использования выполняет аналоговые операции как идеальное устройство. В понятие аналоговые операции включаются любые математические операции над аналоговыми (т.е. непрерывными во времени) сигналами.
Понятие идеального устройства определяют следующие свойства ОУ:
1) бесконечно большой собственный коэффициент усиления К0 = ;
2) бесконечно большое входное сопротивление Rвх = ;
3) нулевое выходное сопротивление Rвых = 0.
Точность и прогнозируемость электронных схем, построенных на ОУ, достигается принципом его применения. ОУ используется как элемент прямой цепи систем с обратной связью. Теория систем с ОС утверждает, что степень идеальности таких систем тем выше, чем больше коэффициент передачи и меньше смещение нуля прямой цепи. Параметры современных ОУ в значительной мере удовлетворяют указанным условиям, в частности, коэффициент усиления составляет сотни тысяч–десятки миллионов, а смещение нуля – десятки–сотни микровольт. Это позволяет на базе ОУ создавать аналоговые электронные устройства, выполняющие свои функции с погрешностью 0,1 % и менее.
Стандартный ОУ (рис. 7.1) имеет, как минимум, пять выводов со следующей типовой нумерацией: два входных (2 и 3), один выходной (6) и два (7 и 4) – для подключения к источнику напряжения питания. Правильная работа ОУ реализуется, если он подключен к двуполярному источнику питания Е. Полезный сигнал снимается с выхода (вывод 6) относительно средней (общей, нулевой) точки двуполярного источника питания. Типовое напряжение питания такого источника составляет 15 В. Вход 2, помеченный на рис. 7.1а кружком, называется инвертирующим (И-вход). Инвертирующим называется вход, при подаче сигнала на который на выходе появляется сигнал, сдвинутый относительно входного на 180о. Вход 3 называется неинвертирующим (НЕ-вход). При подаче сигнала на этот вход, на выходе появляется сигнал, совпадающий с входным по фазе.
Сигналы, приложенные между входами и общим проводом, называются синфазными входными сигналами. Эти сигналы для ОУ являются вредными. Полезным сигналом, который ОУ должен усиливать, служит дифференциальный сигнал, равный разности входных синфазных сигналов: U = U+ - U- , где U+, U- – соответственно напряжение на НЕ- и И-входе. Выходное напряжение (Uвых = К0U) ОУ не может превысить напряжения питания (15 В), даже если в силу идеальности ОУ его коэффициент усиления К0 = . Отсюда следует, что U = Uвых/К0 = (15/) = 0. Таким образом, идеальный ОУ способен усиливать нулевые дифференциальные сигналы. Но так как реальный ОУ имеет конечный коэффициент усиления, то U > 0. Интересно, что практически этот уровень достаточно мал и составляет единицы–доли милливольт.
7.1.2. Принципы и примеры расчета схем с операционными усилителями
Понятие идеального ОУ позволяет ввести простые принципы расчета схем с ОУ. Если через внешнюю цепь имеется ООС с выхода ОУ на вход, то:
напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем, т. е. U- = U+; ток во входные зажимы ОУ не ответвляется, т. е. I- = I+ = 0.
Рис. 7.1. ОУ и его типовые схемы включения
Первый принцип отражает свойство идеального ОУ иметь К0 = , второй – Rвх = . Методика расчета схем с ОУ, основанная на этих принципах, заключается в следующем.
1. Для данной топологии электронной цепи, на основании законов Ома и Кирхгофа, составляется система уравнений относительно переменных U- ,U+ , I- , I+.
2. Полученная система решается совместно путем исключения этих переменных использованием первого и второго принципов.
3. Окончательное выражение записывается в виде уравнения преобразования, когда выходная величина записывается в левой части, а входная – в правой части равенства. При этом коэффициент пропорциональности, являющийся множителем перед входной величиной, будет иметь смысл (для линейных схем ) коэффициента передачи анализируемой цепи.
Рассмотрим эти принципы на примере расчета трех типовых схем включения ОУ: а) инвертирующего; б) неинвертирующего и в) дифференциального.
Инвертирующее включение (рис. 7.1б). Составляем систему уравнений, описывающую работу данной схемы:
для тока, протекающего через резистор R1: I1 = (U1 – U-)/R1;
для тока, протекающего через резистор R2: I2 = (U- – U2)/R2;
для тока, втекающего в инвертирующий вход: I- = I1 – I2;
для тока, втекающего в неинвертирующий вход: I+ = 0;
для напряжения на неинвертирующем входе: U+ = 0 (т.к. данный вход непосредственно подключен к общему проводу схемы, имеющему нулевой потенциал).
Поскольку в соответствии с принципами расчета схем с ОУ: U- = U+ = 0 и I+ = I- = 0, получаем уравнение (U1 – 0)/R1 = (0 – U2)/R2. Выходной величиной в данной схеме является U2, а входной – U1. Поэтому окончательное выражение, связывающее входное и выходное напряжения данной схемы, принимает вид
U2 = (– R2/R1)U1 = - К U1. (7.1)
Таким образом, коэффициент передачи инвертирующего усилителя – отрицательный (фаза U2 противоположна фазе U1), равный по модулю отношению сопротивлений резисторов R2/R1.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резистора R1, которое подключается параллельно источнику входного напряжения: Rвх = R1 (на рис. 7.1б этот источник не показан, но предполагается, что он существует).
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя (т.е. сопротивление, "наблюдаемое" со стороны нагрузки, подключаемой к выходу) равно нулю в силу двух одновременно действующих факторов. Во-первых, выходное сопротивление идеального ОУ по определению равно 0. Во-вторых (и это главное), в инвертирующем усилителе используется отрицательная обратная связь по напряжению, при которой сигнал обратной связи, компенсирующий входной сигнал, пропорционален выходному напряжению. Действительно, естественным входным сигналом в данном случае является входной ток I1 = (U1)/R1, который компенсируется током обратной связи I2 = (U2)/R2, прямо пропорциональным выходному напряжению U2. В электронике устройства, обладающие подобными свойствами (Rвх , Rвых = 0), называются источниками напряжения, управляемыми током (ИНУТ).
Неинвертирующее включение (рис. 7.1в). Для данной схемы можно составить систему уравнений: U+ = U1, U- = (R1/(R1 + R2))U2 (выходной сигнал подается на вход через резистивный делитель напряжения) , I+ = I- = 0, U- = U+, решение которой принимает вид
U2 = (1+ R2/R1 )U1 = К.U1. (7.2)
Таким образом, коэффициент передачи неинвертирующего усилителя – положительный (фаза U2 совпадает с фазой U1), равный по модулю отношению сопротивлений резисторов R2/R1 плюс 1. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвх = (что непосредственно следует из условия Iвх = I+ = 0), а выходное – Rвых = 0 (т.к. сигнал обратной связи U- = (R1/(R1 + R2))U2 прямо пропорционален выходному напряжению U2). В электронике устройства, обладающие подобными свойствами (Rвх = , Rвых = 0), называются источниками напряжения, управляемыми напряжением (ИНУН).
Дифференциальное включение (рис. 7.1г). Уравнение преобразования в данном случае можно получить, использовав принцип суперпозиции, согласно которому выходной сигнал представляет собой сумму независимых воздействий от входных сигналов. Поочередно приравнивая нулю входные сигналы U1и U2 , получим систему уравнений:
Uин = (– R2/R1 )U1 при U2 = 0;
Uне = (1+ R2/R1 )U+, U+ = (R4/(R3 + R4))U2 при U1 = 0,
совместное решение которой дает
Uвых = (R4/(R3 + R4))(1+ R2/R1 )U2 – (R2/R1 )U1. (7.3)
Если приравнять коэффициенты при U1 и U2 , то получим дифференциальный усилитель, выходное напряжение которого прямо пропорционально разности входных напряжений:
Uвых = К(U2 – U1), (7.4)
где К = R2/R1, причем должно выполняться условие R2/R1= R4/R3. Дифференциальный усилитель относится к классу ИНУТ.
Формулы (7.2) – (7.4) можно обобщить на случай, когда внешняя, по отношению к ОУ, цепь содержит как активные, например резисторы, так и реактивные элементы в виде конденсаторов или катушек индуктивности. Вывод уравнения преобразования при этом осуществляется в операторной форме, а коэффициенты передачи записываются в виде отношений операторных сопротивлений. Для пояснения вышесказанного рассмотрим пример.
Пример. Вывести выражение для передаточной функции инвертирующего усилителя переменного тока (рис. 7.2а) и построить общий вид его амплитудно-частотной характеристики.
Решение. Поскольку используется типовое инвертирующее включение ОУ, то за основу выражения для передаточной функции цепи берется формула (7.3), которая модифицируется с учетом операторного вида сопротивлений: вместо R1 надо записать Z1(р), вместо R2 надо записать Z2(р) и вместо К – К(р). Тогда получим
K(р) = – ( Z2(р)/Z1(р)).
В данном конкретном случае Z2(р) представляет собой параллельное соединение двух операторных сопротивлений R2 и 1/pC2, поэтому
Z2(р) = R2(1/pC2)/(R2+(1/pC2)) = R2/(1+p2).
Сопротивление Z1(р) представляет собой последовательное соединение двух операторных сопротивлений R1 и 1/pC1, поэтому Z1(р) = R1 + 1/pC1 = (1 + p1)/pC1. Таким образом, для данной цепи выражение передаточной функции имеет вид
K(р) = – p/(1+ p1) (1+ p2),
где
1
= R1C1;
2
= R2C2;
= R2C1;
р = j
– оператор Лапласа;
= 2f
– круговая частота. Чтобы построить
АЧХ, т.е. зависимость К(f), необходимо в
К(р) заменить р на j
и найти модуль полученного комплексного
выражения. Общий вид АЧХ данной схемы
представлен на рис. 7.2б. Максимум
коэффициента передачи К(f),
равный /(1
+ 2),
имеет место на частоте
.
Ответ.
Kмакс
= (R2C1)/(R1C1
+ R2C2),
.