104

АНАЛОГОВАЯ МИРОЭЛЕКТРОНИКА

1. Цифровые ИС (дискретные);

2. Аналоговые ИС (линейные).

Аналоговые ИС:

операционные усилители, компараторы, перемножители и сумматоры, элементы радиоприемных устройств, интегральные стабилизаторы и др.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ОУ – усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению: К₀=(10³…10⁶) и дифференциальный вход.

С ТРУКТУРНАЯ СХЕМА

ИЗОБРАЖЕНИЕ ОУ

Два входа: - инвертирующий «+» или «ο»;

- неинвертирующий.

При работе в линейном режиме выходное напряжение возрастает при уменьшении напряжения на инвертирующем входе (е^-) или при увеличении напряжения на неинвертирующем входе (е⁺).

е^- ↓

е⁺↑

U_ВЫХ↑ →

Питание: двуполярное (±3…±15)В.

ОУ усиливает разность между входными сигналами е⁺ и е^- :

Δе=е⁺-е^- - дифференциальный входной сигнал.

U_ВЫХ=К₀•Δе

Синфазный входной сигнал U_ВХ.СФ – сигнал одинакового происхождения (помеха, постоянный уровень и т.п.), присутствующий одновременно на обоих входах.

Численное значение:

ОСОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОУ

Электрические:

1. Коэффициент усиления по напряжению – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного дифференциального напряжения при работе на линейном участке характеристики:

.

Напряжение смещения (е_СМ)

– дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение равно нулю. Возникает из-за неидеальности элементов усилителя, особенно различных характеристик входов:

биполярные е_СМ=(3…10) мВ;

полевые е_СМ=(30…100) мВ.

3. Средний входной ток i_ВХ

– среднеарафметическое значение токов i⁺ и i^- , измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение равно нулю. У ОУ с диф. каскадом на биполярных транзисторах i_ВХ=(0,01…1) мкА.

4. Разность входных токов Δi_ВХ

– абсолютное значение разности входных токов, Δi_ВХ=| i⁺ и i^-| , когда U_ВЫХ=0. Характеризует несимметричность дифференциального каскада. Обычно Δi_ВХ=(0,2…0,5) i_ВХ.

5. Входное сопротивление – 2 типа:

- сопротивление для дифференциального сигнала R_{ВХ. ДИФ.} – сопротивление между входами ОУ: R_{ВХ. ДИФ}≥(10³…10⁶) Ом.

- сопротивление для синфазного сигнала R_{ВХ. СФ.} – сопротивление между одним из входов и общей шиной (землей): R_{ВХ. СФ.}≈100 Мом.

6. Коэффициент подавления синфазного сигнала М_СФ – отношение коэффициента усиления К₀ к коэффициенту передачи синфазного сигнала К_СФ

, где

Значения в линейном масштабе М_СФ=(10³…10⁵),

в логарифмическом

,

где .

7. Выходное сопротивление

– R_ВЫХ= (10…1000) Ом.

7. Минимальное сопротивление нагрузки – R_н.мин.=(1…2) Ком.

Частотно – временные:

1. Частота единичного усиления f₁ – частота, на которой коэффициент усиления равен 1.

2. Максимальная скорость нарастания выходного сигнала V

– определяется при поступлении на вход ОУ единичного скачка (прямоугольного импульса):

, V=(0,3…50) В/мкС.

Температурные:

1. Температурный дрейф напряжения смещения Δе_СМ

– изменение напряжения смещения при изменении температуры кристалла на 1°К.

Для ОУ с дифференциальным каскадом на

-биполярных транзисторах Δе_СМ=(5…50)мкВ/К°;

- полевых или составных Δе_СМ=(20…100)мкВ/К°.

2. Температурный дрейф коэффициента усиления – в полнм диапазоне температур К₀ может меняться в 3…5 раз.

СХЕМОТЕХНИКА НА ОСНОВЕ ОУ

При создании различных устройств ОУ используются исключительно с обратными связями, т.к. без ОС параметры ОУ очень не стабильны и не предсказуемы.

ОС – это процесс передачи выходного сигнала на вход, где он суммируется с входным сигналом (ПОС) или вычитается из него (ООС).

ОС бывают: - линейные;

- нелинейные;

- частотно-зависимые;

- комбинированные;

- последовательные;

- параллельные и др.

Масштабирующие усилители

Масштабирование – это изменение размера какой-либо величины (напряжения) с заданным коэффициентом.

При построении масштабирующих усилителей ОУ дополняется параллельной или последовательной линейной отрицательной ОС.

1. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

ОУ охватывают параллельной ООС

Напряжение ОС подается на вход параллельно входному сигналу

Для анализа введем понятие идеального усилителя:

К₀=∞; R_ВХ=∞; i_ВХ=0; е_СМ=0.

З

В инвертирующем усилителе происходит запланированный фазовый сдвиг сигнала на 180⁰, т.е. его инвертирование

апишем

,

получаем .

Учитывая, что К₀=∞,

можно записать ,

а также , т.к. - заземлена.

Таким образом, потенциал т. А равен нулю – но это «ВИРТУАЛЬНЫЙ» ноль, т.к. эта точка не заземлена.

Ток I₁ через резистор R₁ равен

, т.к. φ_А=0

Ток I₂ через резистор R₂ равен

.

По закону Кирхгофа с учетом того, что i_ВХ=0,

можно считать ,

а так же .

В результате коэффициент передачи (усиления) инвертирующего усилителя будет равен

.

Изменяя соотношение можно регулировать коэффициент усиления (рекомендуется изменять R₂).

Для реального ОУ примем:

К₀≠∞, Δe≠0, i_ВХ=0.

Без доказательства получаем

,

где – коэффициент передачи цепи ООС,

- петлевой коэффициент усиления.

При

схема приобретает параметры идеального усилителя.

Резюме: чем больше K_U , тем больше влияние неидеальности ОУ.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

, , ,

.

Резюме: получение высокого R_ВХ.УС приводит к снижению коэффициента усиления K_U и наоборот.

Усилитель с Т – образной ООС

Используют для получения высокого входного сопротивления при высоком коэффициенте усиления.

Без доказательства запишем

.

В такой схеме соотношение номиналов резисторов почти на порядок меньше, чем в исходной.

Коэффициент усиления регулируется изменением R₄.

Инвертор

При получаем, или .

Т.е. входной сигнал инвертируется без изменения масштаба.

Усилитель – сумматор

Так как , по закону Кирхгофа имеем

Откуда получаем

.

,

Где α, β, γ- весовые коэффициенты.

Если R₁= R₂= R₃=R,

То

.

2. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Получают, охватывая ОУ последовательной ООС – напряжение ОС поступает на вход последовательно с входным сигналом.

В неинвертирующем усилителе не происходит инвертирования сигнала – выходной сигнал имеет такую же полярность, как и входной.

К₀=∞; R_ВХ=∞; i_ВХ=0; е_СМ=0, Δе=0.

Имеем ,

Вычисляем

Получаем ,

И далее .

Для реального ОУ примем:

К₀≠∞, i_ВХ=0, Δe≠0.

Без доказательства получаем

.

Как видно из формул коэффициентов усиления для реальных усилителей не идеальность параметров оказывает одинаковое влияние в обеих схемах.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Согласно закона Ома можно записать .

Так как R_ВХ.СФ » R_ВХ.диф, то входной ток будет протекать от неинвертирующего входа к инвертирующему через R_ВХ.диф под действием напряжения Δе, т.е.

.

Для идеального ОУ: К₀=∞; Δе=0 получаем

I_ВХ=0, соответственно R_вх.ус=∞.

Для реального ОУ: К₀≠∞, Δe≠0, причем .

В тоже время Δе=е⁺-е^-,

Где

,

.

Получаем

.

.

Таким образом, учитывая, что , входное сопротивление неинвертирующего усилителя может достигать большого значения, значительно большего, чем у инвертирующего усилителя.

ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

При R₁=∞, R₂=0 получают повторитель напряжения, для которого

при К_U=1 имеем U₂= U₁ и входное сопротивление

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИИТЕЛЬ С Т- ОБРАЗНОЙ ООС

См. схему и комментарии для инвертирующего усилителя с Т – образной ООС

КОРРЕКЦИЯ АДДИТИВНОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Наличие входных токов и напряжения смещения, которые не учитывались при анализе, могут привести к возникновению аддитивной погрешности – постоянной погрешности, не зависящей от входного сигнала.

КОМПЕНСАЦИЯ ВХОДНЫХ ТОКОВ

В инвертирующем и неинвертирующем усилителях входной ток

вызывает падение напряжения

,

приводящее к тому, что между входами возникает напряжение Δе≠0, вызывающее в свою очередь возникновение напряжения на выходе усилителя.

Для компенсации напряжения Δе≠0 к неинвертирующему входу ОУ подключают компенсирующий резистор R_K, на котором создается падение напряжения от входного тока

,

Аналогично для неинвертирующего усилителя

компенсирующее напряжение , т.е. .

,

Откуда находим

,

При равенстве входных токов

.

КОМПЕНСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

Для компенсации напряжения смещения на входы ОУ подают дополнительное компенсирующее напряжение U_K.

Недостатком таких схем является сильное влияние цепей компенсации напряжения смещения на коэффициент усиления, а так же влияние входных токов ОУ.

Для уменьшения влияния цепей коррекции на характеристики усилителя часто используют источник компенсирующего напряжения на основе ОУ – повторитель, который имеет низкое выходное сопротивление, на котором входной ток ОУ не создает падения напряжения.

В некоторых ОУ предусмотрена внутренняя цепь коррекции, для чего у ОУ имеются выводы для подключения переменного резистора.

Однако входные токи и напряжение смещения сильно зависят от температуры. В этом случае для уменьшения температурного дрейфа рекомендуется сопротивления цепи ООС выбирать с учетом соотношения

.

Для большинства современных ОУ на биполярных транзисторах выполняется условие

.

В связи с этим рекомендуется выбирать R₁ и R₂ из условия

.

ЗАЩИТА ОУ

1. П о цепям питания

3. Дифференциальный усилитель

ДУ предназначен для усиления разности двух входных напряжений U₁ и U₂. Стабилизация коэффициента усиления осуществляется с помощью цепи ООС.

К₀=∞; R_ВХ=∞; i_ВХ=0; е_СМ=0, Δе=0.

Находим, что , т.к. Δе=0, а так же

и .

Т.к. i_ВХ=0 считаем , следовательно

.

После подстановки е^- в уравнение и преобразований окончательно получаем

.

Таким образом, выходное напряжение ДУ можно рассматривать как сумму двух независимых составляющих, обусловленных входными напряжениями U₁ и U₂ с соответствующими коэффициентами передачи (для инвертирующего и неинвертирующего включений).

Если принять , то при выходное напряжение будет пропорционально разности входных сигналов)

.

ДУ предназначен для усиления слабого дифференциального сигнала с наложенным на него синфазным сигналом в виде постоянного уровня, детерминированного или случайного сигнала (помехи). Источниками таких сигналов могут быть электроды для снятия кардиопотенциалов, реографический сигнал и тд.

Однако простейший ДУ обладает рядом существенных недостатков:

1. Низкое входное сопротивление, причем сопротивление по различным входам не одинаковое.

2. Низкое значение коэффициента подавления синфазного сигнала, причем он значительно ниже, чем ОУ. Это обусловлено следующими причинами:

а) сложностью подбора сопротивлений во входных цепях;

б) сложностью согласования полных сопротивлений по инвертирующему и по неинвертирующему входам.

3. Регулировка коэффициента усиления возможна только изменением двух сопротивлений (например R₂ и R₄).

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ)

Достоинства:

1. Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала;

2. Одинаковые входные сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам.

А1 и А2 – неинвертирующие усилители с большими входными сопротивлениями (и одинаковыми).

А3 – дифференциальный усилитель.

Т.к. Δе=0, для неинвертирующих усилителей А1 и А2 можно записать

.

Токи через резисторы R₁, R₂ и R₃ подчиняются соотношениям

,

.

Для усилителя А1 имеем

,

где U₃ – выходное напряжение усилителя А1.

Решая относительно U₃ получаем

Для усилителя А2 аналогично получаем

,

где U₄ – выходное напряжение усилителя А2.

Решая относительно U₄ получаем

Проведем анализ при

U₁=U+ΔU и U₂=U-ΔU,

Где U – синфазная составляющая сигнала,

ΔU – дифференциальная составляющая.

При указанных входных сигналах напряжения U₃ и U₄ будут соответственно равны

.

Вывод: каждый из усилителей в первом каскаде (А1 и А2) усиливают дифференциальную составляющую сигнала и оставляют без изменения синфазную.

Т.к. напряжения U₃ и U₄ являются входными для дифференциального усилителя А3, то с учетом делителя R₆ и R₇ получаем

Если принять

То после преобразований получим

При указанных входных воздействиях получим

Т.е происходит усиление дифференциальной составляющей и полное уничтожение синфазной.

Коэффициент усиления регулируется изменением сопротивления R1.