Лекция №31 схемотехника аналоговых и комбинированных узлов Операционные усилители(оу)

ОУ являются основными элементами аналоговых ЭВМ. Они входят в состав всех операционных блоков машин и обеспечивают выполнение математических операций над переменными, представленными в виде электрических напряжений.

ОУ – это специфичный класс усилителей напряжения постоянного тока, которые обладают большим коэффициентом усиления и работают в режиме параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Количество ОУ определяет в основном точность и быстродействие. Следует отметить, что быстродействие АВМ, собранных на ОУ значительно превосходит ЦВМ. Следовательно, пользователь выбирает ЦВМ: либо АВМ, либо АЦВМ.

ОУ имеет коэффициент усиления – К, отрицательное значение которого означает противоположность знаков U_вх и U_вых и обеспечивает отрицательную обратную связь.

ОУ в АВМ могут использоваться в качестве:

• инвертора;

• масштабного блока (сумматор с одним входом);

• суммирующего блока;

• интегрирующего блока;

• дифференцирующего блока.

Структурная схема ОУ

Рис. Структурная схема ОУ

Обычно ОУ содержит 3...5 усилительных каскадов для обеспечения коэффициента усиления от 10⁴ до 10⁵. Для получения двуполярного выходного сигнала питание выходного каскада выполняется двумя источниками.

Операционные усилители (ОУ) представляют собой усилители постоянного тока с дифференциальными входами.

Назначение – используют в качестве:

• инвертора, масштабного блока, сумматора, дифференциального, интегрального блока (усилителя) для сравнения и запоминания сигналов.

Основные параметры: коэффициент усиления К=U_вых/U_вх; дрейф нуля (U_см) (напряжение смещения);

• U_{вх max};

• U_{вых max};

• I_{вх max}.

Операционные системы входят в состав:

• компараторов;

• ЦАП и АЦП.

На рисунке (а) приведена функциональная схема инвертора.

На рисунке (б) приведена функциональная схема масштабного блока.

Рис. функциональная схема инвертора и интегрирующего операционного усилителя постоянного тока

На рисунке (в) – интегрирующий операционный усилитель постоянного тока.

Во всех схемах R₁ – входное сопротивление, R₀ – сопротивление обратной связи, С – емкость, включенной в цепь, обратной связи.

В интеграторе (в), поменяв местами R и С получим дифференцирующий ОУПТ.

Если же увеличить число входов в масштабном блоке, то получим сумматор.

Рис. Сумматор

Рассмотрим функциональные возможности каждого блока. Любой ОУ независимо от его назначения обладает определенным коэффициентом усиления, значение которого определяется как:

К=R₀/R_i,

для масштабного блока, инвертора и сумматора, а коэффициент усиления интегратора определяется:

К=1/RC,

а для дифференцирующего ОУ:

К=RC.

Если К=1, то масштабный блок выполняет функцию инвертора, т. е. изменяет знак входного сигнала, и имеет следующий вид

U_вых(t)=-U_вх(t) , =1. Следовательно,

U_вых(t)=-U_вх(t)

Уравнение масштабного блока:

U_вых(t)=-K*e(t),

где К=*R₀/R₁ (0).

Значение  устанавливается при помощи потенциометра.

Масштабный блок фактически выполняет операцию:

Y=a*x, а инвертор y=-x.

Интегрирующий ОУ.

Уравнение ,

где U_вых0 – постоянная интегрирования;

выполняемая операция: .

Сумматор.Уравнение: ;

выполняемая операция: .

Дифференцирующий усилитель (ДУ).Уравнение U_вых(t)=-RC*d*e(t)/dt;выполняемая операция: y=a*dx/dt. ДУ очень чувствителен к помехам, что приводит к большим погрешностям. В связи с этим ДУ практически не применяют в АВМ.

Кроме рассмотренных блоков в аналоговых вычислительных машинах применяют функциональные нелинейные преобразователи для воспроизведения широкого класса функций.

В настоящее время радиоэлектронной промышленностью выпускаются аналоговые интегральные схемы с довольно широким выбором.

Выводы:

1. Операционные усилители в настоящее время находят широкое применение при разработке различных аналоговых и импульсных электронных устройств. Это связано с тем, что введя цепи операционного усилителя различные линейные и нелинейные устройства, можно получить узлы с требуемым алгоритмом преобразования входного сигнала.

2. Поскольку все операции, выполняемые при помощи операционных усилителей, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определённые требования. Эти требования в основном сводятся к тому, чтобы операционный усилитель как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. Это означает, что входное сопротивление должно быть равно бесконечности (следовательно, входной ток равен нулю); выходное сопротивление должно быт равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение; частотный диапазон от постоянного напряжения до очень высокой частоты.

3. В настоящее время операционные усилители выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения.