Операционный усилитель Обратная связь в усилителях
При проектировании любых устройств часто жертвуют показателями в одной области для достижения лучших показателей в другой. Примером такого подхода могут служить усилители, в которых, уменьшая коэффициент усиления, получают большую стабильность усиления, расширяют полосу пропускания, уменьшают искажения, увеличивают входное и уменьшают выходное сопротивления. Такой эффект достигается благодаря применению отрицательной обратной связи.
Работа усилителей с отрицательной обратной связью (ОС) основана на сравнении выходного сигнала с входным и на том, что при любом отличии этих сигналов на входе усилителя появляется такой сигнал ошибки, который уменьшает эту разницу сигналов. Таким образом, благодаря отрицательной ОС оказывается возможным приблизить величину выходного сигнала к величине входного — получить усилитель, более близкий к идеальному, чем без обратной связи.
Рис. 1.12. Структурные схемы усилителей с обратной связью
Существует четыре варианта схем усилителей с обратной связью: с последовательной по напряжению (рис. 1.12,а), с последовательной по току (рис. 1.12,6), с параллельной по напряжению (рис. 1.12,в), с параллельной по току (рис. 1.12,г). Практические схемы использования отрицательной обратной связи будут рассмотрены ниже, в параграфе “Основные схемы включения операционных усилителей”.
Определение и основные характеристики оу
Операционный усилитель (ОУ) - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.
Само название "операционный усилитель" связано с матеметическими операциями, которые в начале развития вычислительных устройств осуществлялись с помощью усилителей, имевших большой коэффициент усиления и широкий диапазон усиливаемых сигналов - от нулевой частоты до сотен килогерц (одно из названий ОУ - усилитель постоянного тока (УПТ)). Функции современных интегральных ОУ стали более универсальными, а сами ОУ, являясь источниками напряжения, управляемыми напряжением, находят широкое применение в устройствах современной электроники, промышленной автоматики и в том числе – в релейной защите и автоматике электрических систем.
Устройство и условное обозначение операционных усилителей оу
Блок - схема ОУ приведена на рис. 1.13.
Рис. 1.13.
Большинство интегральных ОУ выполняется в виде многокаскадных усилителей, содержащих входной, промежуточные и выходной каскады. Входной каскад ОУ - это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают усиление по напряжению и по току.
Выходной каскад должен обеспечить низкое полное выходное сопротивление ОУ и ток, достаточный для питания заданной нагрузки. В качестве выходного каскада обычно используется эмиттерный повторитель.
Питание схемы осуществляется от двух источников +Uип и -Uип с одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку. При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только выходного каскада, но и входного.
Варианты условного обозначения ОУ показаны на рис. 1.14.
Рис. 1.14. Варианты условного обозначения ОУ
Вход усилителя, отмеченный знаком (+) или безымянный, называется неинвертирующим, а второй, отмеченный знаками (-) или (o) - инвертирующим.
При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.
Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:
высокий (порядка 50000 - 200000) коэффициент усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;
малое напряжение смещения нуля (у реальных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
малые входные токи, практически нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);
высокое входное и низкое выходное сопротивления;
мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).