3 Операционный усилитель

Современный операционный усилитель (ОУ) – это усилитель с большим коэффициентом усиления (до сотен тысяч), способный усиливать сигналы постоянного тока с малым дрейфом нуля, с большим входным и малым выходным сопротивлением, выполненный в виде микросхемы.

Микросхемой мы будем называть электронное устройство малых размеров, предназначенное для выполнения определенных функций и заключенное в единый герметизированный корпус.

Благодаря большому коэффициенту усиления ОУ можно вводить глубокую отрицательную связь, что улучшает параметры ОУ и снижает дрейф нуля. В основном же дрейф нуля мал, т.к. в ОУ используется дифференциальный усилитель. Графическое обозначение показано на рис. 23.

Рис. 23. Графическое обозначение ОУ.

ОУ, как видно из рисунка имеет один выход и два входа – инвертирующий (вх1) и неинвертирующий (вх2).

При подаче положительного сигнала на инвертирующий вход на выходе получаем отрицательное напряжение и наоборот. При подаче сигналов на неинвертирующий вход, полярность сигналов на входе и выходе сохраняется.

Для создания отрицательной обратной связи сигнал с выхода подается на и инвертирующий вход, для создания положительной обратной связи – на неинвертирующий вход.

О бычно ОУ питается от двух источников питания, например, +15В и -15В.

Передаточная характеристика (зависимость выходного сигнала от входного) ОУ в первом приближении выглядит так, как показано на рис. 24.

Рис. 24. Передаточная характеристика ОУ.

Участок 1-0-1 – Участок линейного пропорционального усиления, т.е. выходной сигнал по форме повторяет входной.

Если амплитуда входного сигнала по абсолютной величине превышает ±Uвх. нас., то возникает искажение сигнала, верхушка его «подрезается», т.к. начинается режим насыщения. Режим насыщения объясняется тем, что выходное напряжение не может превысить напряжения питания (ОУ – перпетуум мобиле) и даже немного его меньше за счет потерь энергии. Режим насыщения используется в переключающих устройствах.

Учитывая вышесказанное, заметим, что передаточная характеристика на рис.24 выполнена в разных масштабах. Если по оси ординат – вольты, то по оси абсцисс могут быть милливольты или даже милливольт. Так если коэффициент усиления К = 10000, то

Uвх.нас. = U вых. Max / K = 10/10000 = 1 мВ

Это значит, что можно без искажения усиливать сигналы с амплитудой не более 1 мВ.

Для усиления больших сигналов применяют отрицательную обратную связь (с выхода ОУ на инвертирующий вход). Отрицательная обратная связь снизит коэффициент усиления (К) и заодно улучшит параметры ОУ.

Если же не вводить отрицательную обратную связь, то передаточная характеристика в одном масштабе по оси абсцисс и ординат выглядит так, как на рис. 25.

Рис. 25. Передаточная характеристика ОУ в одном масштабе по обеим осям.

4 Устройства на операционном усилителе

Пропорциональный (линейный) усилитель

Линейные усилители работают на линейной части передаточной характеристики (рис. 19). Пропорциональными их называют потому, что сигнал на выходе получается пропорциональным входному, только больше в соответствии с коэффициентом усиления усилителя.

Р азличают инвертирующие и неинвертирующие усилители.

Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рис. 26.

Рис. 26. Инвертирующий усилитель

Схема взята из описания прибора А560, служащего для контроля и регистрации параметров электрических и тепловых процессов, в том числе на ТЭС (будет изучаться на 5 курсе).

Операционный усилитель DA выполнен на микросхеме типа КМ551УД1А. В обозначении микросхемы

КМ – характеризует корпус микросхемы;

551 – номер серии микросхемы;

УД – обозначение типа микросхемы – операционный усилитель (УД – усилитель дифференциальный – главный элемент в ОУ);

1А – разновидность конструкции.

Элементы R3, R4, C1, C2 необходимы для того, чтобы усилитель не перешел в генераторный режим. Питание ОУ производится от двух от двух источников +15В и -15В.

Входной сигнал подается на инвертирующий вход (вх1), а неинвертирующий вход (вх2) заземлен через резистор R1 (Uвх2 = 0). Напряжение на выходе (Uвых) противоположно по знаку входному (Uвх).

Для того, чтобы обеспечить усиление значительных сигналов и улучшить параметры усилителя вводится отрицательная обратная связь. Для этого часть выходного напряжения (Uвых) подается на инвертирующий вход, образуя напряжение обратной связи (Uос). Величина Uос зависит от Uвых. и сопротивлений резисторов R5 и R2. Для вычисления i_ОС составим уравнения (входным сопротивлением ОУ пренебрегаем):

Uос = Iос*R2, где Iос – ток в цепи обратной связи Iос = Uвых/(R2 + R5), откуда

Uос = Uвых * R2/(R2 + R5) (1)

О резисторах R2 и R5 говорят, что они образуют делитель напряжения на резисторах по формуле (1). Чем больше величина делителя, тем сильнее (глубже) обратная связь.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 27.

Рис. 27. Неинвертирующий усилитель.

Схема неинвертирующего усилителя так же заимствована из описания прибора типа А-560.

Операционный усилитель DA так же выполнен на микросхеме КМ551УД1А. Элементы R3, R4, C1, C2 необходимы, чтобы усилитель не перешел в генераторный режим. Питание ОУ так же производится от двух от двух источников +15В и -15В. Существенное отличие схемы на рис. 27 (неинвертирующий усилитель) от схемы на рис. 26 (инвертирующий усилитель) состоит в том, что в неинвертирующем усилителе сигнал подается на неинвертирующий вход. Благодаря этому выходное напряжение (Uвых) по знаку совпадает со входным. Инвертирующий вход служит для создания отрицательной обратной связи. Так же, как и в схеме на рис. 18, напряжение обратной связи

Uос = Uвых * R2/(R2 + R5)

Изменяя величину элементов делителя напряжения R2/(R2 + R5) можно подобрать необходимую величину (глубину) отрицательной обратной связи, обеспечивающей необходимый коэффициент усиления усилителя.

Компаратор

Компаратором мы будем называть устройство, сравнивающее на своих входах два сигнала и реагирующее на своем выходе на равенство этих сигналов.

Компаратор можно получить, используя ОУ. Для этого сравниваемые сигналы подаются на его входы – один (Uвх1) на инвертирующий, другой (Uвх2) – на неинвертирующий (рис. 28).

Рисунок 28. Компаратор. Схема включения (а), передаточная характеристика (б) и временная диаграмма работы.

Пока Uвх2 > Uвх1 (рис. 28в, участок 0 – 1) режим соответствует правой части передаточной характеристики на рис. 28б и на выходе компаратора получается напряжение +Uвых.max (рис. 28в : Uвых). В точке 1 на рисунке 28в напряжения равны и при малейшем повышении Uвх1 режим соответствует уже левой передаточной характеристики, а на выходе компаратора с этого момента появляется напряжение - Uвых.max (рис. 28в : Uвых).

Подобным образом работает компаратор в упомянутом ранее приборе для контроля и регистрации типа А-560. Компаратор собран на ОУ типа КМ551УД1А. На неинвертирующий вход подается фиксированное напряжение (подобно Uвх2 на рис. 28в), а на инвертирующий вход – пилообразное напряжение от генератора (напоминает Uвх1 на рис. 28в). В результате на выходе получаются прямоугольные импульсы, ширина положительной части которых пропорциональна фиксированному напряжению.

Заметим, что ОУ в компараторе работает в режиме насыщения, а сам компаратор является импульсным устройством.

Мультивибратор

М ультивибратором мы будем называть устройство, вырабатывающее (генерирующее) прямоугольные импульсы. Мультивибратор – импульсное устройство. Мультивибратор может быть собран на ОУ. Вариант такой схемы приведен на рис. 29.

Рис. 29. Мультивибратор.

Как видно из рисунка 29, мультивибратор представляет собой компаратор на один из входов которого подается напряжение положительной обратной связи (Uос), а ко второму входу подключен конденсатор (С), на который подается напряжение орицательной обратной связи.

Uос = Uвых * R2/(R2 + R3)

Передаточная характеристика ОУ, на котором выполнен мультивибратор, будет иметь вид, приведенный на рис. 30а. Временные диаграммы работы мультивибратора показаны на рис. 30б.

Рис. 30. Мультивибратор. Передаточная характеристика (а), и диаграмма работы (б).

На выходе ОУ может быть или +Uвых.max, или - Uвых.max. Предположим, что на выходе ОУ + Uвых.max (линия 0 – 2 на рис. 30б - Uвых). Тогда от этого напряжения конденсатор С будет заряжаться через резистор R1 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = R1*C, стремясь к значению +Uвых.max. (кривая 0 – 1 на рис. 30: Uс). Но как только напряжение на конденсаторе Uc(t) достигает напряжения +Uoc (Uос = +Uвых * R2/(R2 + R3)) (точка 2 на рис. 30б) компаратор срабатывает и на выходе мультивибратора появится напряжение - Uвых.max (линия 5 – 6 , Uвых). Напряжение обратной связи станет –Uoc (Uос = -Uвых * R2/(R2 + R5)). Конденсатор С начнет перезаряжаться по экспоненциальному закону, стремясь к - Uвых.max (кривая 2 – 3, Uc). Но как только напряжение на конденсаторе достигнет значения равного –Uoc (точка 4, Uвх), компаратор снова сработает и на выходе мультивибратора снова появится + Uвых.max (линия 5-6, Uвых) и так далее.

Таким образом получаем на выходе прямоугольные импульсы. Частота импульсов зависит от параметров элементов R1, R2, R3, C. Импульсы можно сделать однополярными, поставив на выходе диод.

По схеме на рис. 29 собран мультивибратор в упоминаемом приборе контроля и регистрации типа А-560. В этом приборе мультивибратор вырабатывает импульсы, приводящие к переключению транзисторов триггеров, в коллекторную цепь которых включены обмотки электродвигателя. Электродвигатель вращает барабан с регистрационной лентой со скоростью, которая задается частотой работы мультивибратора. Использован ОУ типа К284УД18.

Интегратор

Как известно, на ТЭС применяются электронные устройства, регулирующие телоэнергетические процессы. Качественное регулирование получается по пропорционально-интегро-дифференциальному (ПИД) закону регулирования. Для реализации этого закона применяются интеграторы и дифференциаторы.

Схема интегратора на ОУ, применение которого повышает точность интегрирования, дана на рис. 31.

Рисунок 31. Интегратор.

По второму закону Кирхгофа

e(t) = U_R(t) + U_ВХ(t) (1)

U_ВХ(t) = U_ВЫХ(t)/К, где К – коэффициент усиления операционного усилителя.

Поэтому U_ВХ(t) ≈ 0 (2)

Подставляя (2) в (1) получаем: e(t) = U_R(t) (3)

U_R(t) = i(t)*R (4)

Подставляя (4) в (3) получаем

e(t) = i(t)*R (5)

Для повышения точности интегрирования делают U_R << U_C, поэтому

i(t) = -i_C(t) (6)

Подставляя (6) в (5) получаем

e(t) = -i_C(t)*R (7)

В соответствии с правилами электротехники

i_C(t) = C*dU_ВЫХ(t)/dt (8)

Подставляем (8) в (7) и получаем

e(t) = -R C*dU_ВЫХ(t)/dt (9)

Проинтегрировав левую и правую части (9), имеем

, откуда

, то есть выходная величина схемы на рис. 31 представляет собой интеграл от входной. Таким образом, схема на рис. 31 действительно представляет собой интегратор.

Дифференциатор

С хема дифференциатора на ОУ, применение которого повышает точность дифференцирования, дана на рис. 32.

Рис. 32. Схема дифференциатора

Считаем входной ток ОУ пренебрежимо малым, а коэффициент усиления операционного усилителя (К) очень большим. Тогда

U_ВХ(t) = U_ВЫХ(t)/К, поэтому U_ВХ(t) ≈ 0 (1)

По первому закону Кирхгофа i_C = - i_R (2)

Из курса электротехники известно, что или с учетом (1) (3)

С учетом (1) (4)

Подставляем (3) и (4) в (2)

или

Таким образом, схема на рисунке 32 действительно представляет собой дифференциатор.