Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Электротехника и электроника для специальностей 1-36 01 01 Технология машиностроения; 1-36 01 03 Технологическое оборудование машиностроительного производства

Рисунок 6.20 Условное изображение ОУ

Структурная схема ОУ представлена на рисунке 6.21.

Рисунок 6.21 Структурная схема ОУ

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад [4], который используется в качестве входного каскада усилителя.

Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ЭП), который обеспечивает нагрузочную способность всей схемы. Т.к. KU (ЭП) = 1, то необходимое значение KU ОУ обеспечивается подключением дополнительных каскадов между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества используемых каскадов, ОУ подразделяются на двух- и трехкаскадные. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в 2-х каскадных - с динамическими нагрузками.

Характеристики ОУ

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные характеристики и амплитудно-частотные характеристики.

Амплитудная характеристика отражает две зависимости Uвых = f(Uвх) по инвертирующему и неинвертирующиму входам. Эти характеристики снимаются при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом (рисунок 6.22). На характеристике горизонтальные участки кривых соответствуют нелинейному режиму работы ОУ. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках U остается без изменения и определяется U +вых.max и U –вых. max, которые близки к напряжению источников питания Еп.

131

Рисунок 6.22 Амплитудные характеристики ОУ

Наклонному участку кривых соответствует пропорциональная зависимость напряжения Uвых. от напряжения Uвх (линейный режим). Угол наклона определяется коэффициентом усиления КUОУ = Uвых./ Uвх. Значение КUОУ зависит от типа ОУ и величины отрицательной обратной связи усилителя, может принимать значение от нескольких сотен до сотен тысяч.

Когда кривые проходят через 0, это соответствует напряжениям Uвых.= 0 и Uвых = 0. Такое состояние называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При напряжении Uвх.= 0, Uвых. может быть чуть больше или чуть меньше нуля. Напряжение, при котором Uвых.= 0, называется входным напряжением смещения нуля Uсм0 Оно определяет значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для создания баланса. Основной причиной разбаланса является разброс параметров дифференциального усилительного каскада (обычно транзисторов).

Другой важной характеристикой ОУ является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис. 6.23).

Рисунок 6.23 Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

Параметры ОУ

132

Инвертирующий усилитель изменяет знак выходного сигнала относительно входного и создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос отрицательной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R1 подается входной сигнал . Если принять значение RвхОУ= и входной ток ОУ

IОУ = 0, то ток Iвх.= Iос, и тогда Uвх U0/R1 = Uвых. U0/ R ос.

При КUОУ напряжение на входе ОУ U0= Uвых/ КUОУ 0, и тогда

Uвх/R1= Uвых/R ос.

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КUИ= Uвых/Uвх= Rос/R1, т.е. определяется параметрами только пассивной части схемы.

Неинвертирующий усилитель (рис. 6.25).

Рисунок 6.25 Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Полагая, что напряжение U0 = 0 и ток IОУ = 0 получим

Uвых = Uвх∙(R1+Rос)/R1.

Тогда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя КUН=1+Rос/R1. Rвх. неинвертирующего усилителя велико, а Rвых0.

Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения [5].

Сумматоры

Для суммирования нескольких напряжений используют схемы, построенные на основе операционных усилителей в инвертирующем и неинвертирующем включении, которые называют сумматорами.

Сумматоры делятся на инвертирующие и неинвертирующие. Неинвертирующий сумматор (рис. 6.27, а) реализуется на основе схемы неинвертирующего усилителя путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.

134

Рисунок 6.30 Зависимости Uвх и Uвых от времени t для интегратора.

Дифференциатор (рис. 6.31)

Если в схеме интегратора поменять местами сопротивление R1 и конденсатор С1, то получим схему дифференциатора.

Рисунок 6.31 Дифференциатор

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ и формула выполняемой операции определяется выражением

Uвых = R1С1 (dUвх/dt ) = (dUвх/dt ).

Временные зависимости Uвх и Uвых показаны на рисунке 6.32.

137

Рисунок 6.32 Зависимости Uвх и Uвых от времени t для дифференциатора

Компаратор на ОУ (рис. 6.33)

Компараторы играют очень важную роль при аналого-цифровом преобразовании. Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения изменяющегося аналогового входного сигнала с опорным напряжением. При равенстве входного напряжения с опорным выходное напряжение равно нулю. При Uвх = Uоп – Uвх 0 напряжение на выходе ОУ

будет равно uвых = Uвых.m, если же Uвх = Uоп –Uвх 0, то uвых = –Uвых.m.

Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами для uвх и uвых (рис.6.33, в). Обратные связи для этого компаратора не предусмотрены ни по одному их входов.

138

Рисунок 6.33 Компаратор на ОУ

Компараторы выпускаются в интегральном исполнении, а также являются составной частью микросхем аналогово-цифровых преобразователей (АЦП).

139