19. Операционные усилители (оу)

ОУ представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока. Он усиливает сигналы, начиная с нулевой частоты f = 0 до граничной частоты fгр. ОУ выполняется в виде интегральной схемы. Условные графические обозначения (УГО) ОУ приведены на рисунке:

• 1 – инвертирующий (инверсный) вход;

• 2 – неинвертирующий (прямой) вход;

• 3 – выход;

• +U и -U – выводы для подключения положительного и отрицательного напряжения питания;

• 0В – общий вывод ("ноль вольт"). Вход и выход имеют общую точку (земля);

• NC и FC – метки, характеризующие функции вывода.

В наиболее широко используемых ОУ питание осуществляется от расщепленного источника ± U с нулевым выводом. Обычно |+U| = |-U| = 3…18 В.

Часто на схемах используют упрощенные УГО (а, б). Вариант (а) используют обычно в зарубежной литературе. Варианты (а) и (б) не соответствуют ЕСКД и не могут использоваться в курсовом и дипломном проектировании.

Физический смысл инвертирующего и неинвертирующего входов в том, что при подаче синусоидального сигнала на инвертирующий вход фаза выходного сигнала сдвинута на 180 градусов по отношению к фазе входного сигнала, при подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы входного и выходного сигналов совпадают.

ОУ усиливает разность входных напряжений – Uвх1 и Uвх2.

Напряжение Uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом).

Uдиф = Uвх2 - Uвх1.

Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления ОУ.

Наверх

Передаточная характеристика ОУ

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида Uвых = f(Uдиф), где f – некоторая функция.

Характеристика обычно не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Значение напряжения Uдиф, при котором выполняется условие Uвых= 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через Uсм. Например, у ОУ типа К140УД1 Uсм = ±10 мВ

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равно нулю, т.е. для того передаточная характеристика через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). Для этого могут быть предусмотрены выводы "NC", на которые нужно подавать напряжение, компенсирующие Uсм, что показано на рисунке:

Напряжение Uсм зависит от различных факторов и может изменяться следующим образом:

• На единицы-десятки микровольт при изменении температуры на 1°С;

• На единицы-десятки микровольт при изменении напряжения питания на 1В;

• На доли-единицы микровольт при увеличении срока службы схемы на 1 месяц.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режим усиления (линейным, активным режимом).

В линейном режиме Uвых = k·Uдиф, где k – коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала), k = 104…105.

В режиме насыщения Uвых.max = +Uпит– 3В, Uвых.min = -Uпит+ 3В.

В приближенных расчетах принимают: Uвых.max = +Uпит, Uвых.min = -Uпит.

Диапазон значений напряжений Uдиф настолько мал, что в режиме линейного усиления при практических расчетах принимают Uдиф = 0.

Наверх

Синфазный сигнал

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при одинаковом (синфазном) изменении Uвх1 и Uвх2.

На рисунках: а) действует только синфазный сигнал Uсф = Uвх1 = Uвх2, при этом Uдиф = 0; б) график зависимости Uвых от Uсф.

Если модуль |Uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение Uвых. Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф

Коэффициент К всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K, т.е. 104…105.

Наверх

Влияние входных токов на выходное напряжение

Рассмотрим схему с двумя резисторами на входе при отсутствии источников входных сигналов.

Для реальных ОУ токи I1, I2 составляют от десятков наноампер до единиц микроампер. Как правило, I1 ≠ I2, R1 ≠ R2. Следовательно на входе возникает паразитный сигнал, который будет восприниматься как дифференциальный, что приведет к нарушению режима работы ОУ. Для его коррекции могут быть использованы выводы "NC".

Наверх

Амплитудно-частотная характеристика ОУ

При увеличении частоты f уменьшается коэффициент K и возникает сдвиг по фазе φ между напряжениями Uдиф и Uвых (предполагается, что эти напряжения синусоидальные). Для учета этого удобно учитывать комплексный коэффициент усиления по напряжению :

, где , – соответственно комплексные действующие значения переменных напряжений Uдиф и Uвых.

АЧХ ОУ приведена на рисунке:

АЧХ показывает, что | | начинает уменьшаться уже при очень низких частотах (около 10 Гц). В практических схемах ОУ используется с отрицательными обратными связями, что значительно улучшает частотные свойства и обеспечивает работу на частотах в десятки, сотни кГц.

У некоторых операционных усилителей частотные характеристики таковы, что возможно самовозбуждение (при этом усилитель на основе операционного усилителя превращается в генератор). Для необходимого изменения частотных характеристик используют корректирующие устройства (конденсаторы или RC-цепочки). Выводы операционного усилителя, предназначенные для подключения корректирующей цепей, обозначаются через FC.