Лекции / ЛЕКЦИЯ14_09нк

ЛЕКЦИЯ 14_09. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ, ИХ ПАРАМЕТРЫ.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ. БАЗОВЫЕ СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕ-

ЛЯХ. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

(Сост. Никонов А.В.)

Операционные усилители (ОУ) – это УПТ с большим коэффициентом уси-

ления, имеющие дифференциальный вход и один общий выход.

Часто в качестве УГО используют обозначения, показанные на рисунке 14.1.

Рисунок 14.1 – УГО операционных усилителей

ОСНОВУ ОУ составляет дифференциальный каскад, являющийся входным усилителем.

Выходной каскад – обычно это двухтактный эмиттерный повторитель

(каскад с ОК).

Между входным дифференциальным усилителеми выходным эмиттерным повторителем есть еще два–три дифференциальных усилительных каскада.

Максимальные выходные напряженияОУ близки к напряжениям пита-

ния: источника отрицательного напряжения –UПИТ и положительного напряжения

+ UПИТ.

Важнейший параметр ОУ – амплитудная (передаточная) характеристика:

это зависимость UВЫХ = f(UВХ), рисунок 14.2.

Рисунок 14.2 – Амплитудные характеристики ОУ

Горизонтальные участки амплитудной характеристики– это режим насы-

щения (или отсечки) выходного эмиттерного повторителя ОУ.

Угол наклона линейного участкаопределяется коэффициентом усиления

ОУ КU = UВЫХ/UВХ. Значение КU обычно лежит в пределах от десятков тысяч до

нескольких миллионов.

Реальные ОУ имеют разбаланс нуля: при UВХ = 0 имеется UВЫХ ¹ 0.

Таким образом, надо подать на вход некоторое напряжениеDUВХ, чтобы на выходе ОУ стало UВЫХ = 0.

Это DUВХ и есть напряжение смещения нуля, которое определяется:

За счет неидеальности входных транзисторов ОУ наблюдаются неодинако-

вые входные токи: при включении в их цепи резисторов, на них получаются раз-

личные падения напряжения, что ведёт к появлению дифференциального входно-

го напряжения.

Для устранения влияния этого напряжения ОУ имеют специальнуюрегули-

ровку – «балансировка».

Вследствие малости разности входных токов, ВХОДНОЕ ДИФФЕРЕН-

ЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОУ очень велико (единицы и сотни мегаом).

ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОУ мало (единицы – десятки Ом), так как

на выходе имеется эмиттерный повторитель.

При линейном усилении, обычно МАЛЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ сигналов,

ОУ характеризуется ЧАСТОТНЫМИ параметрам,иа усиление ИМПУЛЬС-

НЫХ сигналов характеризуется СКОРОСТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОУ.

Частотные параметры ОУ определяются по его АЧХ, рисунок 14.3.

Рисунок 14.3 – АЧХ ОУ

Скоростные (динамические параметры) ОУ отраженына рисунке 14.4. К

ним относятся:

а) скорость нарастания выходного напряжения: VU = DU/Dt; обычно для со-

временных ОУ VU » 0,1¸100 В/мкс;

б) время установления выходного напряжения: tУСТ » 0,05¸2 мкс.

Рисунок 14.4 – Динамические характеристики ОУ

Скорость нарастания выходного напряжения связана с максимальным вы-

ходным напряжением ОУ нижеследующим выражением,

показывающим полосу частот, в которой выходное напряжение ОУ может быть равно максимальному значению (полоса максимальной мощности):

14.1 Обратная связь

Введение обратной связи (ОС) придает усилителю специфические свойст-

ва.

ОС осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его собственного выхода через цепь обратной связи, рисунок 14.5.

Рисунок 14.5 – Усилитель с обратной связью

Звено ОС характеризуется коэффициентом передачи:

Комплексность означает возможность фазового сдвига между входным и выходным сигналами усилителя из-за реактивностей как в усилителе, так и в ОС.

ВИД ОС определяется:

а) по параметру выходного сигнала (напряжению или току), используемо-

му для создания ОС. Это ОС по напряжению или по току.

б) По способу подачи ОС на вход усилителя.

Это:

1) последовательная ОС – когда сигнал ОС подается на вход усилите-

ля последовательно с входным сигналом;

2) параллельная – когда сигнал ОС подается на вход усилителя парал-

лельно с входным сигналом.

Функциональные схемы усилителей с основными видами ОС приведенына

рисунке 14.6.

а) ОС по напряжению последовательная

б) ОС по току последовательная

в) ОС по напряжению параллельная

Рисунок 14.6 – Виды обратной связи

Воздействие ОС может привести или к увеличению, или к уменьшению ре-

зультирующего сигнала на входе усилителя.

Первый случай – это ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (ПОС),

второй случай – ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ (ООС).

Усилители с ПОС применяется в генераторах, а ООС в усилителях изменя-

ет их параметры.

Из теории усилительных устройств известно, что коэффициент усиления уси-

А) Если 1 > Кæ > 0,

то КU(ОС) > К – это условие ПОС, когда напряжение обратной связи подается на вход усилителя в фазе с входным сигналом:

UУ = UВХ + UОС.

Б) Когда Kæ ³ 1 :

это ПОС и является условием возбуждения усилителя.

В) При Кæ < 0:

величина КU(ОС) < К – это ООС. Напряжение обратной связи подаетсяна вход усилителя в противофазе с входным сигналом:

UУ = UВХ – UОС.

Свойства ООС:

а) увеличивается стабильность коэффициента усиления; нестабильность значения КU(ОС) уменьшается в (1 + Кæ) раз. То есть, пренебрегая единицей,

KU(ОС) » 1/æ.

Это свойство используется для стабилизации режима работы активного элемента, для расширения АЧХ, уменьшения нелинейных искажений.

б) Входное сопротивление усилителя возрастает: RВХ(ООС) = RВХ(1 + Кæ).

в) Выходное сопротивление усилителя уменьшается:

RВЫХ(ООС) = RВЫХ / (1 + Кæ).

Второе и третье свойства характерны для каскада сОК (или с ОИ), назы-

ваемого эмиттерным (истоковым) повторителем.

14.2 Базовые схемы на ОУ

БАЗОВЫЕ СХЕМЫ на ОУ строятся с помощьюподключения внешних эле-

ментов, образующих, в том числе, ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ. Ниже приведены основ-

ные функциональные аналоговые узлы на ОУ.

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ изменяет знак выходного сигнала от-

носительно входного.

По инвертирующему входу ОУсоздают параллельную отрицательную об-

ратную связь (ООС) по напряжению, рисунок 14.7.

Рисунок 14.7 – Инвертирующий усилитель на ОУ

При входном сопротивлении ОУ RВХОУ ® ¥, его входной ток IОУ ® 0, и, таким образом, IВХ = IОС.

Тогда при КU ® ¥, величина (UУ = UВЫХ/КU) ® 0.

Это позволяет оценить коэффициент усиления каскада как

А при реальном ОУ имеем:

При заданной величине внутреннего сопротивления источникасигнала RГ

¹ 0 получим, что:

КU = -UВЫХ/UВХ = –(IOCROC)/[IВХ( R1 + RГ)] = –RОС/(R1 + RГ).

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ содержит последовательную ООС по напряжению, сигнал которой подаётся на инвертирующий вход, рисунок 14.8.

Здесь также Uy = 0, но КU НЕИН = 1 + RОС/R1 = 1 + |КU ИНВ|.

Рисунок 14.8 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Так как входные токи ОУ равны нулю (входное сопротивление – бесконеч-

ность), наличие RГ не влияет на значение коэффициента усиления схемы.

Вследствие наличия ООС входное сопротивление схемы возрастает в F раз.

При неидеальном ОУ:

При неидеальном ОУ выходное сопротивление схемы определяется схоже с

предыдущим усилителем:

При RОС = 0 и R1 = ¥, эта схема является ПОВТОРИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕ-

НИЯ: КU = 1, рисунок 14.9.

Его входное сопротивление по неинвертирующему входу ОУ очень велико.

Рисунок 14.9 – Повторитель напряжения

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР. Его схема приведена на рисунке 14.10.

Рисунок 14.10 – Инвертирующий сумматор

При IВХОУ = 0 (так как RВХОУ = ¥),

UВЫХ = – [(RОС/R1)U1 + (RОС/R2)U2 + … + (RОС/Rn)Un] .