Лек9

Операционные усилители.

Дифференциальные каскады усилителей постоянного тока.

Основой ОУ является дифференциальный каскад - параллельный балансный УПТ, обеспечивающий наименьший дрейф выходного напряжения. Параллельный балансный УПТ представляет собой двухтактный линейный усилитель с двумя идентичными плечами, работающими на общую нагрузку. Упрощенная схема такого усилителя приведена на рисунке:

О собенности схемы:

- два источника питания, необходимые для симметричного уси-ления разнополярных сигналав;

- сопротивление нагрузки не имеет вывода, соединенного с об-щим проводом;

- общий резистор по эмиттерному току (Rэ0);

- два входа относительно общего провода;

- дифференциальный вход – между первым и вторым входами;

- симметричность схемы, обеспечивающая равенство между со-бой токов и напряжений начального режима.

Малый дрейф выходного напряжения объясняется несколькими причинами: симметричность схемы, в результате чего разность кол-лекторных напряжений в начальном режиме весьма мала; ООС по эмиттерному току уменьшает изменения коллекторных напряжений в результате дрейфа и, следовательно, уменьшает сам дрейф.

В рабочем режиме входной сигнал может подаваться на любой вход, однако балансный УПТ всегда усиливает дифференциальный сигнал. Поскольку в силу симметричности схемы приращения начальных токов равны между собой и противоположны по знаку, то ООС по входному сигналу остается неизменной.

Вход дифференциального усилителя, сигнал с которого воспроиз-водится на выходе с обратным знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется инвертирующим. Вход дифференциаль-ного усилителя, сигнал с которого воспроизводится на выходе с тем же знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется неин-вертирующим.

Возможен случай, когда на оба входа подаются одинаковые по величине и знаку (фазе) сигналы и на объединенный таким образом вход подается входной сигнал, который называется синфазным. Причиной появления синфазного сигнала могут быть внешние элек-тромагнитные наводки (помехи), кроме того, синфазная составляю-щая может быть в составе входных сигналов, одновременно дейст-вующих на обоих входах усилителя.

Рассмотрим влияние синфазного сигнала на дрейф балансного УПТ. По определению синфазный сигнал вызывает одинаковые приращения токов и напряжений в обоих транзисторах. Кроме того, приращения эмиттерных токов транзисторов одинаковы по знаку и общий эмиттерный ток увеличивается, создавая более глубокую ООС, эффективно подавляющую возникающие изменения коллек-торных напряжений.

Таким образом, балансный УПТ не усиливает, а подавляет син-фазный сигнал благодаря симметричности схемы и действию ООС. Изменения условий внешней среды (например, колебания темпера-туры) приводят к точно таким же процессам в схеме дифференци-ального усилителя, что и синфазный сигнал, поэтому иногда эти влияния называют синфазной помехой.

Общие сведения об операционных усилителях.

Операционные усилители (ОУ) – это усилители, название которых связано с использованием этих усилителей для моделирования опе-раций. Они относятся к классу усилителей постоянного тока прямо-го усиления. Характерными особенностями ОУ являются большой коэффициент усиления, большое входное малое выходное сопроти-вления, широкая полоса пропускания, дифференциальный выход. Перечисленные свойства, а также интегральная технология изготов-ления сделали ОУ одним из основных компонентов современных аналоговых электронных схем. ОУ также нашли широкое примене-ние в импульсной технике в качестве компараторов, релаксацион-ных генераторов.

Условное графическое обозначение ОУ и его основные выводы показаны на рисунке.

ОУ по отношению к нулевому уровню имеет два входа и один выход. Вх.1, обозначенный знаком «-», называют инвертирующим. Вы-ходное напряжение ОУ по знаку или фазе противоположно напряжению, на этом входе. Вх. 2, обозначенный знаком «+» - не инвер-тирующий. Между ВХ.1 и Вх.2 образуется дифференциальный вход усилителя.

Входы и выход ОУ обычно выполняют на нулевом уровне, т.е. в исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала, напряжение на входах и выходе равны нулю. При подаче входного сигнала нап-ряжение на выходе может как увеличиваться, так и уменьшаться. Поэтому для питания ОУ используют два разнополярных источника питания. Входное напряжение подают на один из входов, а на вто-рой вход подают постоянный потенциал.

Если входные напряжения одинаковы и у них совпадают ампли-туды и фазы, то их называют синфазными входными напряжения-ми.

Общая структурная схема ОУ показана на рисунке:

Для ОУ является обязательным два, а иногда три каскада усиле-ния, которые обеспечивают большой коэффициент усиления, каскад смещения или сдвига уровня, который обеспечивает на выходе ну-левой потенциал при отсутствии входного сигнала, и выходной кас-кад, обеспечивающий малое выходное сопротивление ОУ. В первом каскаде усиления применяют балансный УПТ с симметричным дифференциальным входом. В качестве второго каскада усиления используют балансный УПТ с несимметричным выходом.

Параметры и характеристики операционных усилителей.

Система параметров, характеризующих ОУ, помимо общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических пока-зателей, к которым относятся:

- напряжение смещения, необходимое для смещения амплитудной характеристики в начало координат;

- температурный коэффициент напряжения смещения;

- входной ток;

- ток сдвига;

- температурный коэффициент тока сдвига;

- коэффициент передачи синфазного сигнала;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала;

- скорость нарастания напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса напряжения;

- граничная частота полосы пропускания;

- частота единичного усиления.

На рисунке представлены схемы инвертирующего и не инверти-рующего усилителей.

Преобразователи на базе оу.

Назначением преобразователей на базе ОУ является реализация тех или иных алгоритмов обработки информационных сигналов в зависимости от назначения измерительного устройства. Преобразо-ватели могут использоваться как самостоятельно, так и в составе многокаскадных усилителей.

П овторитель сигнала – функциональный узел, в котором входной и выходной сигналы одина-ковы по знаку и величине. Коэффициент усиле-ния повторителя равен 1. Входное сопротивление – очень большое, а выходное близко к нулю. Такие параметры делают повторитель удобным каскадом согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.-

Инвертор представляет собой инвертирующий ОУ с коэффици-ентом передачи равным единице.

Д вухвходовой инвертирующий сумматор.

Здесь инвертирующий ОУ с коэффициентом передачи равным единице.

Лек10

Интегратор. В цепь ООС вместо R2 включен конденсатор С. В частном случае, когда на вход интегратора подается импульс постоянного нап-ряжения Uвх = U длительностью tи, на выходе образуется линейно изменяющееся напряжение Uвых = - Utи/τ, где τ = R1C - постоянная времени обратной связи. Интегратор, работающий в указанном режиме, используется в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), а также в схемах формирования пилообразного напряже-ния развертки.

Компаратор – служит для определения мо-мента равенства двух напряжений. Здесь входное синусоидальное напряжение срав-нивается с нулевым потенциалом. ОУ ис-пользуется без обратной связи, что является особенностью данной схемы. При положительном входном сигнале напряжение на выходе отрицательное. При переходе входного напряжения через 0 выходное напряжение меняет знак.

Широкое применение в измерительной технике находят активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняет-ся включением в схему RC фильтра ак-тивного элемента – ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра в целях получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и бо-льшой крутизны спада передаточной характеристики. Теория актив-ных фильтров в настоящее время хорошо разработана, методика их расчетов доведена до таблиц и номограмм. Последовательное сое-динение рассмотренной схемы (многополюсные фильтры) позволя-ет добиться необходимой формы передаточной характеристики.

Измерительный усилитель тока использует-ся для измерения малых токов без внесения искажений в цепь за счет внутреннего сопро-тивления обычного микроамперметра. Источ-ник измеряемого тока показан в виде эквива-лентной схемы, содержащий источник ЭДС (Евх) с внутренним сопротивлением Rи, которое выполняет роль резистора R1 в схеме инвертирующего усилителя.

Заменив в схеме резистор R2 на конденсатор, получим интегратор входного тока (усилитель электрического заряда), удобный для уси-ления сигналов пьезоэлектрических датчиков. В этом случае суще-ственно снижается погрешность измерения по сравнению с обыч-ной схемой усиления напряжения пьезоэлектрического датчика.

С войство усилителя на базе ОУ поддержи-вать ток в цепи обратной связи, равный току во входной цепи, используется для прецизи-онных преобразователей сопротивления в напряжение (ПСН), особенно если резистивный датчик (обычно тензодатчик) находится на значительном уда-лении от измерительной части схемы.

Схемы генераторов и формирователей на базе ОУ.

В генераторных схемах ОУ охвачен положительной обратной связью, обеспечивающей выполнение двух условий возникновения автоколебаний: условия баланса амплитуд и условия баланса фаз.

В схеме гармонического генератора (генератора синусоидально-го напряжения) с RC-времязадающей цепью (мостом Вина) сопро-тивления резисторов и емкости конденсаторов одинаковы и служат цепью положительной обратной связи.

Модуль коэффициента передачи моста Вина К = 1/3. Поэтому условие баланса амплитуд будет выполнено, если коэффициент усиления ОУ будет не менее трех единиц, что обеспечи-вается вспомогательной цепью отрицательной обратной связи (R2, R3).