Учебники 80243

2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ОУ)

Операционные усилители представляют универсальные устройства, на основе которых возможно построение генераторов, активных фильтров, ста-

билизаторов напряжения и тока, источников эталонного напряжения, усили-

телей и др. ОУ — это высококачественный усилитель постоянного тока пря-

мого усиления с дифференциальным входным каскадом, большим коэффи-

циентом усиления (Кус~100000), имеющий широкую полосу пропускания

(fв=10-100 МГц). ОУ обладает высоким входным сопротивлением (Rвх>10

кОм), низким выходным сопротивлением (Rвых<100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов. ОУ изображают на элек-

трических схемах (рис 2.1). На схеме изображены два входа и один выход

(рис. 2.1).

Рис. 2.1 Условные обозначения ОУ а) без дополнительного поля;

б) с дополнительными полями:

NS — выводы балансировки;

FC — выводы частотной коррекции и выводы напряжения питания.

Вход Uвх1, обозначенный знаком ―0‖, называют инвертирующим, т.к.

при подаче на этот вход сигнала на выходе получаем сигнал противополож-

31

ный полярности. Коэффициент усиления ОУ по 1 и 2 входам одинаков по ве-

личине и противоположен по знаку.

Вход Uвх2, необозначенный знаком называется неинвертирующим, так как полярность сигнала на входе при подаче на неинвертирующий вход сов-

падает с полярностью сигнала на входе.

Второй вывод общий для обоих входов в обозначении не показан. Это общая информативная шина, иногда на принципиальных схемах обозначает-

ся I. Для лучшего понимания выводов, допускается введение одного или двух полей с обеих сторон от основного поля в которых указываются метки с обо-

значением функции вывода. Особенностью ОУ является то, что входные сиг-

налы подаются относительно общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал. При нулевых входных сигналах выходное напряжение равно нулю .

Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями

Uвх1 и Uвх2 соотношением

где Кио - собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Рис. 2.2. Схема подключения ОУ

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и чувствителен к синфазному входному сигналу. Кио в ОУ на

32

практике достигает значений 105 106 или100 120дБ . В качестве ис-

точника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Средний вывод этого источника является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В ре-

альных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне 3В 18В .

Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ

По принципу действия и схемному исполнению ОУ делятся на два ос-

новных вида:

1.усилители с непосредственными связями (прямого усиления);

2.усилители с преобразованием сигнала:

а) усилители с преобразованием модулирующего сигнала постоянного тока в переменное напряжение;

б) усилители, в которых входной сигнал воздействует на параметры ав-

токолебаний автогенератора: амплитуду, частоту или фазу (усилители с управляемыми автогенераторами УПТ-УГ — автогенераторные усилители).

В зависимости от назначения ОУ подразделяются на:

а) ОУ общего применения, используемые в схемах, где отсутствуют повышенные требования к усилителям;

б) прецизионные, имеющие малые дрейф и шумы, а также высокий ко-

эффициент усиления ;

в) быстродействующие, которые обладают высокой скоростью измене-

ния выхода его напряжения и используются для построения импульсных и широкополосных устройств.

В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в ос-

новном используют интегральные операционные усилители. По конструк-

тивному выполнению они являются законченными высокостабильными ши-

рокополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффици-

ент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.

33

Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданны-

ми техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рас-

сматривать его как самостоятельный компонент с определенными парамет-

рами.

Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы по-

даются относительно одной общей шины, относительно которой снимается выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал ра-

вен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.

2.1. Параметры и характеристики ОУ

Подразделяются на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относятся: напряжение смещения нуля, вход-

ные токи, входные сопротивления, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, температурные дрейфы входных токов.

Напряжение смещения нуля Uсм — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Значение Uсм от 1мВ — 10мВ, Uсм показывает какой потенциал надо подать на вход, чтобы получить Uвых=0.

Если ОУ включить так, чтобы его выход был соединен с инверсным входом (рис. 2.3), то его коэффициент усиления будет равен единице и вы-

ходное напряжение будет равно Uсм.

34

нен с общим выводом. Значения его находятся в интервале нескольких де-

сятков кОм до сотен МОм.

Входное сопротивление для синфазного сигнала определяет изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения.

Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как отно-

шение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к диффе-

ренциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление,

напряжение и ток выхода.

К группе характеристик передачи относятся коэффициент усиления по напряжению, частота единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения, время восстановления, амплитудно - частотная характеристика.

Частота единичного усиления — это частота, на которой модуль коэф-

фициента усиления ОУ равен единице (0 дБ).

Скорость нарастания выходного напряжения — это максимальная ско-

рость изменения выходного сигнала при максимальном значении его ампли-

туды.

Время установления выходного напряжения tуст — это время, за кото-

рое практически заканчивается переходной процесс.

2.2. Работа операционных усилителей с обратной связью

Воздействие выходной цепи на входную называют обратной связью.

Если действие сигнала ОС увеличивает входной сигнал, ОС называют поло-

жительной, если уменьшает — отрицательной.

36

2.Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю,

т.е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источ-

ником напряжения ( Rвых 0 ).

3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачива-

ние выводов операционного усилителя).

4.В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю на-

пряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения.

5.Синфазный сигнал не действует на ОУ.

6.Напряжение смещения нуля равно нулю.

2.3. Типовые преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель на основе ОУ

В инвертирующем усилителе сигнал подается на инвертирующий вход.

рис. 2.5. Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Т.к. i 0 , то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 i2 . Если ОУ работает в режиме усиления, то U диф 0 .

38

На основании второго закона Кирхгофа

Включение резистора R3 в цепь неинвертирующего входа можно уменьшить влияние входных токов на выходное напряжение, величина

Рис. 2.6. Инвертирующий усилитель с резистором в цепи неинвертирующего входа

Учитывая, что U диф 0 ,на низких частотах входное сопротивление

усилителя равно R1 , т.е. существенно меньше входного сопротивления ОУ,

т.к. параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное и выход-

по напряжению.

39

Неинвертирующий усилитель на основе ОУ

В неинвертирующем усилителе входной сигнал подается на неинвер-

тирующий вход.

Рис. 2.7. Неинвертирующий усилитель

Если ОУ работает в режиме усиления, тогда U диф 0 , на основании

второго закона Кирхгофа получаем:

Этот результат соответствует выводу из теории обратной связи, т.к.

40