Лекция №3.

Тема лекции: Операционные усилители и их применение.

Цель лекции: Изучение операционного усилителя, как основы построения всех современных аналоговых электронных устройств.

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного напряжения, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он используется в качестве отдельного элемента схемы или библиотечного элемента для создания интегральных микросхем более высокой степени интеграции. В принципе нет никакой разницы между обычным и операционным усилителями: оба применяются для усиления напряжений или токов. Но если свойства обыкновенного усилителя задаются его внутренним устройством, то операционный усилитель рассчитывается таким образом, чтобы его функции преимущественно определялись цепями внешней обратной связи. Для этого операционные усилители выполняются с большим коэффициентом усиления и связью по постоянному напряжению. Во избежание дополнительных мер для установки рабочей точки входной и выходной потенциалы задают равными нулю, поэтому операционному усилителю обычно требуется два источника питания – положительного и отрицательного напряжений. Подобные усилители, собранные на дискретных элементах (электронных лампах или транзисторах), применялись раньше исключительно в аналоговых вычислительных устройствах и для выполнения таких математических операций, как сложение и интегрирование. Отсюда и произошло само название операционных усилителей.

3.1 Общие сведения

Разнообразные операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем, мало отличаясь по размерам и стоимости от дискретных транзисторов. Благодаря во многом идеальным свойствам операционных усилителей, применять их значительно проще, чем дискретные транзисторы. Привлекательность классического ОУ связана его высокими параметрами на низких частотах. Однако первые операционные усилители были слишком инерционны, поэтому вскоре появились варианты с модифицированной архитектурой, обладающие хорошими высокочастотными характеристиками, так что к настоящему времени практически не осталось направлений, где бы дискретные транзисторы имели преимущества перед ОУ. Их внутреннее устройство рассматривается только для того, чтобы пояснить свойства интегральной схемы. Собственно внутренняя схема на транзисторном уровне интересна лишь как основа создания интегральных усилителей.

В идеальном ОУ усиливается только разность приложенных напряжений U_D =

= U_P – U_N. Неинвертирующий вход обозначают символом P, на схеме ему соответствует знак «+». Инвертирующий вход помечается символом N в тексте и знаком «–» на схеме (иногда вывод инвертирующего входа снабжается кружком). Операционный усилитель имеет два вывода для подключения питания, к одному из которых приложено положительное (относительно земли) напряжение питания, а к другому – отрицательное, чем обеспечивается равенство нулю входного и выходного потенциалов. У операционных усилителей иногда отсутствует вывод земли, хотя к нему относят входные и выходные напряжения. Обычное рабочее напряжение питания у схем универсального применения составляет ±15 В, хотя все чаще применяется напряжение ±5 В, и действует тенденция дальнейшего снижения напряжения питания. Типичное расположение выводов операционных усилителей показано на рис. 3.1. Поскольку часто в одном корпусе микросхемы содержится несколько ОУ, выпускаются также спаренные или счетверенные приборы, позволяющие экономить место и средства.

Рис. 3.1. Выводы операционного усилителя.

Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 3.2). Они различаются высоко и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех четырех типов является высокоомным.

Р ис. 3.2. Схемные символы и передаточные функции четырех операционных усилителей.

3.2. Принцип обратной связи

Обратная связь рассматривается на примере операционного усилителя типа VV, как самого распространенного на практике. ОУ с отрицательной обратной связью можно трактовать как контур регулирования и применять к его схеме принципы автоматического управления. Общий вид контура регулирования представлен на рис. 3.3. Номинальное значение сигнала получают по входному параметру путем нормирования с помощью формирователя входного параметра, представленного здесь умножением на k_F. Действительное значение находят по выходной величине посредством нормирования с помощью регулятора, представленного здесь умножением на k_R. Разность между номинальным и действительными значениями умножается объектом регулирования на A_D. Из соотношения для рассогласования

следуют определения:

(3.1)

Усиление контура регулирования (см. рис. 3.3) рассчитывается по соотношениям

(3.2)

Рис. 3.3. Принципиальная блок-схема контура регулирования

В схеме ОУ объектом регулирования служит сам усилитель. Формирователь входного параметра и регулятор выполняются как внешние схемы операционного усилителя. Вычитание осуществляется с помощью инвертирующего входа операционного усилителя либо посредством внешней схемы.

Для примера рассмотрим инвертирующий усилитель. При этом, естественно, отрицательная обратная связь должна проходить от выхода к инвертирующему входу, дабы предотвратить появление положительной обратной связи. Однако входное напряжение приложено к опорной точке делителя напряжения обратной связи. В таком случае получится схема, показанная на рис. 3.4. Подставив k_f и k_r в (3.2), найдем

(3.3)

Следовательно, здесь мы имеем дело с инвертирующим усилителем. Это видно и по схеме, если на вход мысленно подать положительное напряжение. Поскольку оно попадает на инвертирующий вход через резистор R1, выходное напряжение оказывается отрицательным. У идеального операционного усилителя с A_D = ∞ модуль выходного отрицательного напряжения должен стать настолько большим,

что U_D = 0. На данном основании говорят о виртуальной земле. Для расчета выходного напряжения применим к инвертирующему входу первый закон Кирхгофа о сумме токов в узле, равной нулю, и получим:

Рис. 3.4. Включение операционного усилителя в качестве инвертирующего на примере VV-усилителя.

Указанные здесь значения k_f и k_r вытекают из определений в (3.1): а – модель согласно теории автоматического регулирования; б – инвертирующий усилитель.

Приведенное уравнение легко решается относительно U_a:

3.3. Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель (инвертор)

Рис. 3.5. Инвертирующий усилитель и компенсация входного сиещения.

Сумматор

С хемы сумматоров применяются в аналоговых вычислительных устройствах и в качестве основных элементов для смесителей (преобразователей) звуковой частоты.

Рис. 3.6. Сумматор на основе операционного усилителя

сопротивление резистора R₅ равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁,R₂,R₃ и R₄.

Повторитель напряжения

Входное сопротивление такой схемы очень высоко (обычно несколько мегом), а выходное сопротивление очень низкое (типичное значение составляет всего лишь несколько ом). Эта схема используется как очень удобный буферный каскад и может рассматриваться как исключительно эффективный эмиттерный повторитель.

Неинвертирующнй усилитель

Рис 3.7. Неинвертирующие усилители:

а - основная схема; б - усилитель переменного тока;

в - усилитель переменного тока с компенсационной обратной связью.

Как правило, на основе схемы, изображенной на Рис. 3.7а, строятся усилители звуковой частоты. В схеме, изображенной на Рис. 3.7б, с помощью конденсаторов С₁ и С₂ обеспечивается развязка по переменному току, а резисторы R₁ и R₂ устанавливают уровень постоянной составляющей на неинвертирующем входе и на выходе. Резисторы R₃, и R₄ определяют коэффициент усиления по переменному току.

Для основной схемы

Дифференциальный усилитель

На практике часто возникает необходимость измерения разности двух входных напряжений. В качестве примера на Рис. 3.8 представлен мостовой тензодатчик.

Рис. 3.8. Внесение синфазной помехи в сигнал с мостового тензодатчика.

Элементы Х1 и Х2 — это два контролируемых тензорезистора, включенных таким образом, что при механическом воздействии сопротивление Х₁ возрастает, а сопротивление Х₂ уменьшается. Элементы У₁ и У₂ — это идентичные тензорезисторы, не подвергающиеся механическому воздействию, назначение которых - температурная стабилизация схемы.

Напряжение Vв — это снимаемое с моста напряжение, величина которого на практике очень мала. При поступлении этого напряжения на усилитель напряжение на каждом его входе определяется как:

где Vcм — напряжение синфазной помехи, введенной в линию от внешнего источника помех. Если соединительные провода от моста представляют собой экранированную витую пару, то вносимое синфазное напряжение будет одинаковым на обоих входах, что позволяет использовать дифференциальный усилитель.

Рис. 3.9. Схема дифференциального усилителя.

Для правильной работы схемы очень важно, чтобы выполнялось соотношение между резисторами R₁ = R₃ и R₂ = R₄. В этом случае:

Для достижения максимального значения КОСС следует использовать прецизионные резисторы.

Дифференциальные усилители получили широкое распространение в приборах, где необходимо усиливать сигналы малого напряжения при наличии синфазных помех, например в термопарах, тензопреобразователях, медицинских электронных приборах.

Фильтры

Фильтры используют для получения схем с заданными частотными характеристиками. Существует четыре основных типа фильтров.

Фильтр нижних частот препятствует пропусканию сигналов, частота которых выше некоторого заданного значении Типичная область применения фильтров низких частот – устранение высокочастотного шума в звуковых схемах, в этом случае такие фильтры называют шумопоглощаюшими.

Фильтры верхних частот пропускают только тс сигналы, частота которых выше некоторого заданного значения. Такие фильтры используются в звуковых схемах для устранения низкочастотного шума, вызываемого, к примеру, работой лентопротяжного механизма магнитофона.

Полосовые фильтры пропускают только частоты определенного диапазона, а режекторные фильтры (фильтр-пробка) препятствуют прохождению сигналов из определенного диапазона частот. Например, режекторный фильтр частотой 45...55 Гц широко используется в контрольно-измерительной аппаратуре для блокировки сетевых шумов частотой около 50 Гц.

На Рис. 3.10 показаны схемы фильтров на операционных усилителях и условия, соответствующие их назначению.

Стоит заметить, что частота среза — это точка на АЧХ, в которой амплитуда сигнала уменьшается на 3 дБ, а вовсе не значение частоты, выше (или ниже) которой задерживаются все частоты. На Рис. 3.10а и Рис. 3.10в показаны однокаскадные фильтры со спадом 20 дБ/декаду, а на Рис. 3.10б и Рис. 3.10г показаны двухкаскадные фильтры со спадом 40 дБ/декаду. В последних двух фильтрах затухание может регулироваться путем изменения номиналов компонентов, как показано на рисунке.

Рис 3.10. Фильтры на основе операционных усилителей:

а — простой фильтр низких частот;

б — классическая схема фильтра низких частот.

в— простой фильтр высоких частот.

г — классическом cxeмa фильтра высоких частот;

д — полосовой фильтр;

е — режекторный фильтр

Преобразование ток/напряжение

Часто возникает необходимость преобразования токовых сигналов в напряжение и наоборот. Например, сила тока стандартного аналогового измерительного сигнала может составлять от 4 до 20 мА, и часто возникает необходимость преобразования этого сигнала в напряжение для отображения результатов на дисплее. Аналогично может потребоваться преобразование напряжения в ток для использования такого сигнала, например, в системах передачи сигналов.

При необходимости передачи аналоговой информации на значительные расстояния токовые сигналы в целом предпочтительнее, чем напряжение, поскольку они менее подвержены влиянию помех и сопротивления линии. Схемы для преобразования тока в напряжение и наоборот для аналоговых сигналов показаны па Рис. 3.11.

Рис. 3.11. Преобразование:

а - напряжения в ток, б - тока в напряжение.

На Рис. 3.11а показана схема преобразования напряжения в ток с помощью повторителя напряжения. Как обычно. V₁ = V_in, но V₁ = I*R . где I - ток, протекающий в нагрузке. Поэтому ток I задается напряжением V_in и совершенно не зависит от сопротивления нагрузки (при условии, что выход усилителя не находится в насыщении).

Чтобы преобразовать токовый сигнал в напряжение, применяется схема, изображенная на Рис. 3.11б. Ток протекает через сопротивление нагрузки, подключенной параллельно входу стандартного дифференциального усилителя. Напряжение на сопротивлении нагрузки составляет просто I*R [В]; выходное напряжение определяется коэффициентом усиления дифференциального усилителя, как описывалось ранее.

Если обе схемы используются совместно, сопротивления резисторов на Рис. 3.11а и Рис. 3.11б равны, а дифференциальный усилитель обеспечивает единичный коэффициент усиления, конечная схема будет представлять собой звено линии передачи данных, которое можно использовать для передачи аналоговых величин через участки с высоким уровнем электрических помех.