книги из ГПНТБ / Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах

Иногда вместо «коэффициент усиления» говорят «коэффи­ циент усиления в разомкнутой петле», имея при этом в виду тот факт, что операционный усилитель обычно используется с обратными связями, а в данном случае подразумевается коэф-

Рис. 68. Схемы операционных усилителей типов К1УТ401 (а)

К1УТ402 (б)

фициент усиления при отсутствии обратных связей. Обычно

/С=(1-М00) -I03.

Ширину частотной полосы определяет частота (fM) , при кото­ рой коэффициент усиления усилителя падает на 3 дб (в У 2 раз) по сравнению с его значением при низкой частоте. Значение /м для операционных усилителей широкого применения лежит в диапазоне от 10 кгц до 1—2 Мгц.

128

Максимальный выходной ток (/Вых) — максимальный ток в нагрузке усилителя, не вызывающий выхода его из строя. Обычно /вых =14-10 ма.

Потребляемая мощность (Рп) — мощность, рассеиваемая

вусилителе при нуле напряжения на выходе и отсутствии тока

внагрузке. Для типовых усилителей Рп = 70-М50 мет.

Коэффициент влияния источников питания (МП) — отноше­ ние изменения входного напряжения смещения к изменению пи­ тающего напряжения. Ма может иметь величину 20—200 мкв/в.

Температурный дрейф напряжения смещения (ДС/др) — от­ ношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температуры окружающей среды. Могут быть раз­ дельно указаны значения дрейфа для температур выше 20— 25° С и ниже 20—25° С. Величина Af/др для интегральных опе­ рационных усилителей обычно не превышает 5—20 мкв/град.

Экспериментальное определение параметров операционных усилителей может производиться путем непосредственного их измерения при соответствующей постановке эксперимента. Од­ нако удобнее пользоваться специальными схемами включения усилителей, которые позволяют измерить их параметры с мень­ шими затратами времени.

Коэффициент усиления усилителя К можно, например, опре­ делить, исходя из наклона линейного участка передаточной ха­ рактеристики разомкнутого усилителя, воспроизведенной на экране осциллографа. Для этого входное и выходное напряже­ ния усилителя нужно подать соответственно на входы горизон­ тальной и вертикальной развертки осциллографа.

В [20] предложена другая схема для определения коэффи­ циента усиления (рис. 69,а). В этой схеме неинвертирующий вход усилителя заземлен через резистор R4, а на инвертирую­ щий вход через делитель R1 — R3 подана часть напряжения Ua>. существующего в точке а. Поскольку резисторы R2, соединяю­ щие точку а с источником входного напряжения и с выходом усилителя, имеют одинаковые сопротивления, то коэффициент усиления усилителя с такой обратной связью равен единице (Двых= Двх)• Поэтому коэффициент усиления в разомкнутой петле можно найти по следующей формуле:

JS ___Ц ВХ /?1 ~f~R 3

~ v а' Рз

Входные токи усилителя могут быть измерены непосредст­ венно путем включения соответствующих приборов во входные цепи усилителя. Более удобно, однако, реализовать схему, пока­ занную на рис. 69, б. Усилитель в этой схеме охвачен глубокой обратной связью, так как его выход соединен со входом через резистор R1. Если сопротивление резистора R1 и R2 доста­ точно велико, так что падения напряжения на них от входных токов существенно превышают напряжение смещения усилителя*

130

и Ri = R2 = R, т о м о ж н о считать, что UBhXX = AIBXR. Таким образом, измеряя t/цых, мы можем найти разность входных токов Д1В%. Закорачивая поочередно резисторы R1 и R2, получим UBblx= IBXR и таким образом найдем входные токи IBXi и 1ВХ2.

Напряжение смещения усилителя АНВХможет быть измерено по схеме рис. 69, в. Если сопротивления резисторов R2 и R3 до­ статочно малы и можно пренебречь падением напряжения на них от входных токов, то выходное напряжение усилителя опре­ делится равенством НЕЫХ= A U M R z .

Рис. 69. Схемы для определения основных парамет­ ров операционных усилителей: коэффициента усиле­

Для определения коэффициента ослабления синфазного сиг­ нала МСф можно применить схему рис. 69, г. Если выполнить

МСф. Величина Мсф может быть найдена из соотношения

Мсф= AU_сф_\

AU вых/

Коррекция частотной характеристики операционного усили­ теля необходима для предотвращения самовозбуждения при введении отрицательной обратной связи. Как известно, само­ возбуждение возникает тогда, когда усиление по замкнутому контуру усилителя, охваченного обратной связью (петлевое уси-

Ление), больше единицы на той частоте, где суммарный сдвиг фаз по замкнутому контуру равен нулю или, что то же самое, ±2я. Это означает, что охваченный отрицательной обратной связью усилитель возбудится при условии, что петлевое усиле­ ние больше единицы на частоте /я, при которой нежелательный сдвиг фазы в самом усилителе равен я. Соответственно цепи коррекции призваны или уменьшить коэффициент усиления уси­ лителя на частоте fn или повысить частоту / п до такого значе­ ния, при котором петлевое усиление меньше единицы.

Коррекцию усилителя К1УТ401 рекомендуется проводить

петлевого усиления на частоте fn. Сопротивление резистора кор­ ректирующей цепи устанавливается 0,1—1 ком, емкость конден­ сатора 100 пф — 0,01 мкф. Кроме того, можно увеличивать ча­ стоту f я, включая конденсатор небольшой емкости (5—50 пф) между выводами 2 и 3 усилителя. Возможны и другие варианты корректирующих цепей. В частности, иногда целесообразно включать последовательную У^С-цепь между инвертирующим входом усилителя (вывод 9) и общим проводом источника пи­ тания или между инвертирующим входом и выводом 12 ИС.

Методику расчета корректирующих цепей можно найти, на­

пример, в [1].

Следует заметить, что коррекция операционного усилителя является важным и ответственным делом. Весьма точная в про­ екте электронная цепь, содержащая операционный усилитель, может практически оказаться полностью неработоспособной из-за высокочастотной генерации. Причем сложность подбора корректирующих цепей возрастает с ростом петлевого усиления усилителя.

27, Применение операционных усилителей

Операционные усилители находят широкое применение для построения самых разнообразных по выполняемым функциям устройств.

При этом усилитель охватывается различными обратными Связями и соответствующим образом выполняются его входные цепи. Предполагая, что коэффициент усиления и входное со­ противление усилителя весьма велики, для приближенного рас­ чета передаточной функции операционного усилителя можно использовать следующие два условия: напряжения на инверти­ рующем и неинвертирующем входах усилителя (относительно земли) одинаковы и сумма токов, приходящих к каждому из входов усилителя, равна нулю.

Ниже рассмотрены некоторые варианты применения опера­ ционных усилителей и определены приближенные выражения их передаточных функций.

132

Операционные усилители с резистивными обратными свя­ зями чаще всего применяются для усиления постоянных и пе­ ременных напряжений и токов, а также для алгебраического суммирования нескольких входных сигналов. На рис. 70, а по­ казана схема инвертирующего усилителя с параллельной отри­ цательной обратной связью. Неинвертирующий вход этого уси­ лителя присоединен к земле. Следовательно, и на инвертирую-

Рис. 70. Основные схемы включения операционных усилителей с резистив­ ными обратными связями: усилители с параллельной (а) и последователь­ ной (б) отрицательной обратной связью, повторитель напряжения (в), усилитель разности двух напряжений (г) стабилизатор тока (б), триггер

Шмитта (е)

щем входе потенциал примерно равен нулю. Учитывая, что сумма токов, приходящих к инвертирующему входу, равна нулю

теля с целью скомпенсировать падение напряжения на резисто­

теля одинаковы, изменения напряжений на обоих входах, вы­ званные этими токами, будут одинаковыми и скомпенсируют друг друга.

Если на инвертирующий вход усилителя с параллельной об­ ратной связью подать через соответствующие резисторы не­

133

сколько входных сигналов, то получим сумматор. Напряжение на выходе такого усилителя будет равно инвертированной сумме входных напряжений, взятых с весовыми коэффициен­ тами, каждый из которых определяется отношением проводимо­ сти соответствующего входного резистора к проводимости ре­ зистора обратной связи.

Схема, показанная на рис. 70, б, предназначена для построе­ ния неинвертирующего усилителя с последовательной обратной связью. Напряжение на выходе этого усилителя можно найти, приравнивая потенциалы его входов: Unx=UBblxRl/(R i + R2 ) , от­

куда Н вы х == Нвх {R i ~\~Rz) /Ri-

Используя стопроцентную обратную связь, можно построить повторитель-—усилитель с коэффициентом усиления, прибли­ женно равным единице, с большим входным и малым выход­ ным сопротивлениями (рис. 70, в).

Если подавать сигналы одновременно и на инвертирующий, и на неинвертирующий входы операционного усилителя с обрат­ ной связью так, как показано на рис. 70, г, то получим вычитатель, выходное напряжение будет равно следующей величине:

Операционный усилитель с параллельной или последова­ тельной обратной связью может быть применен при построении стабилизатора напряжения. В этом случае на вход усилителя подается напряжение от простого параметрического стабилиза­ тора, а с выхода усилителя снимается стабильное напряжение нужного знака и величины, не зависящее от сопротивления на­ грузки.

Для построения стабилизатора тока можно использовать схему рис. 70, а или б, если включать нагрузку на место рези­ стора R2. Нетрудно увидеть, что ток через этот резистор не за­ висит от сопротивления и определяется выражением I = U Bx / R i - В ряде случаев необходимо, чтобы у нагрузки, через кото­ рую протекает стабилизированный ток, один зажим был зазем­ лен. Схема, показанная на рис. 70, д, позволяет удовлетворить этому условию. Напряжение на резисторе нагрузки RH здесь

будет определяться формулой:

грузки. Из приведенных формул видно, что в частном случае можно принять /?4 = 0.

134

теля типа триггера Шмитта. Это устройство имеет два устой­ чивых состояния, при которых усилитель находится в режиме положительного или отрицательного ограничения. При увеличе­ нии напряжения U\ триггер срабатывает (напряжение на вы­ ходе меняется с 1/~Вых на £/+Вых) тогда, когда изменяется по­ лярность напряжения между входами усилителя, что соответ­ ствует входному напряжению

1 R3 + Rt

при уменьшении напряжения Ut срабатывание в обратную сто­ рону будет наблюдаться при

ц ^_u tR* + uLxR*

1 R3+ Ri

где U+вых и U~Bhlx — величины положительного и отрицательного напряжения на выходе усилителя при его работе в режиме ограничения.

Рис. 71 показывает еще несколько примеров применения опе­ рационных усилителей с резистивными обратными связями. Уси­ литель в устройстве рис. 71, а усиливает напряжение неравно­ весия мостовой цепи (Rl, R2, R3, R4). Устройство рис. 71, б может использоваться в качестве переключателя. Если транзи­

стор Т1 закрыт, а Т2 открыт, то ЕВых= —UbxRz/Ru если же>на­ оборот, Т1 открыт, а Т2 закрыт, то ПЕЬ1Х=0. В точном стабили­ заторе рис. 71, в операционный усилитель используется для поддержания в равновесии моста, составленного из резисторов Rl, R2, R3 и стабилитрона Д1.

Устройство рис. 71, г позволяет получить на выходе два пи­ тающих напряжения со средней точкой, в то время как источ­ ник входного напряжения средней точки не имеет [44]. Усили­ тель здесь используется в режиме повторителя напряжения и дополнен на выходе каскадом усиления мощности.

Операционные усилители, охваченные частотно-зависимыми обратными связями, применяются весьма широко. Рис. 72, а по­ казывает схему дифференцирующего усилителя, для которого передаточная функция в операторной форме определяется как

W (р) = Ubux ^— — —pRC. Последовательно с конденсатором С

UВХ (р)

в дифференцирующем усилителе рекомендуется включать не­ большое сопротивление, которое ограничивает амплитуду им­ пульса входного тока усилителя и препятствует возникновению высокочастотных автоколебаний.

Для интегрирующего усилителя, схема которого показана на рис. 72, б, передаточная функция W (р) = —l/(pRC). Усилитель

135

в)

Рис. 71. Варианты применения операционных усилителей с резистив­ ными обратными связями: усилитель напряжения неравновесия мосто­ вой цепи (а), точный переключатель (б), стабилизатор напряжения (в), устройство для получения средней точки питающего напряжения (г)

Рис. 72. Схемы операционных усилителей с частотно-зависимыми обратными связями: дифференциатор (а), интегратор (б), интегратор-вычитатель (в), двойной интегратор (г), фильтр нижних частот (<?), усилитель переменного тока (е)

136

по схеме рис. 72, в позволяет получить интеграл от разности двух напряжений. Для этого усилителя

и ьых (Р) = Wt (P) —Vi (P)l • - ] - ■

рис

Для получения двойного интеграла от входного напряже­ ния можно соединить последовательно два интегрирующих усилителя. Однако возможно получить двойной интеграл и с помощью одного операционного усилителя, если исполь­ зовать схему, показанную на рис. 72, г, для которой W(p) = = —l/(p*R2C2).

Широко используются операционные усилители в схемах активных фильтров. Пример фильтра нижних частот второго порядка показан на рис. 72, д. Передаточная функция такого фильтра определяется выражением: W (р) = 10/(1 + pRC)2.

Усилитель напряжения переменного тока с большим вход­ ным сопротивлением показан на рис. 72, е. Коэффициент усиле­ ния этого усилителя равен отношению (R1 + R2 )IRi при условии, что сопротивление разделительных конденсаторов С1 и С2 пре­ небрежимо мало. Увеличение входного сопротивления здесь до­ стигается за счет того, что к обоим зажимам резистора R3 при­ ложено практически одно и то же переменное напряжение. В результате переменный ток через резистор R3 почти не про­ ходит, и входное сопротивление усилителя в значительной сте­ пени определяется его входным сопротивлением для синфазного сигнала.

Операционные усилители с нелинейными обратными связями

используются в различных устройствах, некоторые из которых показаны на рис. 73.

Двухполупериодный выпрямитель рис. 73, а может быть ис­ пользован для точного преобразования переменного напряже­ ния в постоянное. Когда напряжение Нвх положительно, то диоды Д1 и Д4 откроются, а Д2 и ДЗ закроются. Через откры­ тый диод Д4 выход устройства окажется соединенным с выхо­ дом усилителя У2. Так как инвертирующий вход усилителя У2 соединен с помощью резистора R2 с выходным зажимом устрой­ ства, то благодаря этой цепи отрицательной обратной связи на выходе будет повторяться входное напряжение. Если же вход­ ное напряжение отрицательно, то откроются диоды Д2 и ДЗ, а Д1 и Д4 закроются. Усилитель У1 при этом обеспечит пере­ дачу на выход инвертированного входного напряжения. По­ скольку диоды Д2 и Д4 в соответствующие полупериоды ока­ зываются включенными в прямую цепь устройства, то благо­ даря этому практически полностью исключаются погрешности выпрямителя, вызваные неравными нулю падениями напряже­ ния на открытых диодах.

На рис. 73, б показана схема амплитудного выпрямителя, выходное напряжение которого равно амплитуде положитель­

137