Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

В.Е. ГЛАЗЫРИН, Г.В. ГЛАЗЫРИН

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ УРЗА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

4

Интегральный ОУ представляет собой высококачественный широкополосный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Операционные усилители содержат несколько усилительных каскадов и выполняются в виде интегральной микросхемы, имеющей обычно инвертирующий и неинвертирующий входы и один выход. Кроме того, интегральная микросхема имеет выводы для подключения питающих напряжений, но обычно эти выводы на принципиальных схемах не показывают, чтобы не загромождать схему.

Для того чтобы ОУ мог являться основой схем различного функционального назначения, он должен иметь свойства «идеального» ОУ:

бесконечно большое входное сопротивление; нулевое выходное сопротивление;

собственный коэффициент усиления, стремящийся к бесконечности в бесконечно широкой полосе частот;

амплитуду выходного напряжения, не зависящую от частоты входного сигнала.

Очевидно, что эти свойства не могут быть полностью достигнуты и ОУ можно считать идеальным лишь в определенных пределах его применения. Рассмотрим подробнее допустимость применения модели идеального ОУ при разработке и анализе работы элементов автоматических устройств электроэнергетических систем.

Всоответствии с первым допущением входное сопротивление ОУ можно считать бесконечно большим. Реальные значения сопротивлений входных каскадов, выполненных на униполярных транзисторах, составляют десятки МОм. По этой причине входные токи ОУ не превышают десятков микроампер (мкА), что существенно меньше уровня токов в остальных цепях операционных схем. Еще большим сопротивлением входных каскадов обладают ОУ при их выполнении на полевых транзисторах. В этом случае входные сопротивления достигают десятков гигаом (Гом), а входные токи имеют уровень единиц наноампер (нА). Приведенные величины наглядно показывают, что в большинстве случаев можно обеспечить условия работы элементов в реальной схеме, при которых этими малыми токами можно пренебречь.

Всоответствии со вторым допущением выходное сопротивление ОУ можно считать равным нулю. Реальное значение этого параметра для серийных ОУ, получаемое из опыта короткого замыкания, составляет около 200 Ом. В то же время определение выходного сопротивления в режиме короткого замыкания не является корректным из-за

6

влияния встроенных средств защиты ОУ. Корректным является использование дифференциального выходного сопротивления, которое определяется при работе ОУ на сопротивление, превышающее минимально допустимое. При этом влияние выходного сопротивления резко ослабляется благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ [1].

Всоответствии с третьим допущением коэффициент усиления ОУ можно считать равным бесконечности. Хотя реальный коэффициент усиления не может быть равным бесконечности, тем не менее он весьма велик. Типовые значения составляют 100 000…500 000. Этот коэффициент показывает, во сколько раз выходное напряжение усилителя превышает разность потенциалов между неинвертирующим и инвертирующим входами. Если ОУ не насыщен, то при максимально возможном напряжении на его выходе в этом состоянии его входное напряжение оказывается существенно меньше 1 мВ.

Всоответствии с четвертым допущением амплитуда выходного напряжения не зависит от частоты входного сигнала. При разработке устройств релейной защиты и системной автоматики это справедливо, поскольку в подавляющем числе случаев осуществляется преобразование сигналов, имеющих частоту 50 Гц, а типовые значения полосы рабочих частот для ОУ общего назначения составляют 0…1 000 000 Гц.

Приведенные допущения позволяют значительно упростить анализ

ирасчет операционных схем, для которых несущественны ограничения, налагаемые реальными ОУ на идеализированные операционные схемы. Работу операционной схемы проще понять, не вдаваясь в детали, связанные с математическими тонкостями. Понимание проблемы, которое основывается на анализе идеализированных схем и подкрепляется опытом и экспериментом, позволяет выявить критические моменты, требующие особого внимания.

Анализ операционной схемы, основанный на концепции идеального ОУ, является первой и часто единственной ступенью в ее количественном исследовании. Достоверность получаемых результатов при этом обеспечивается учетом не очень сложных ограничений.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ СХЕМ

Операционные схемы можно строить различными способами, и нет смысла пытаться дать им исчерпывающую классификацию. Однако выделение какого-либо признака является первым шагом к

7

пониманию. Поэтому здесь предлагается классификация, которая, хотя и не является полной, позволяет навести порядок в этом воп - росе.

Тип обратной связи

Способ получения сигнала обратной связи и то, как он складывается со входным сигналом, определяют выходное сопротивление операционной схемы по отношению к нагрузке и ее входное сопротивление по отношению к источнику сигнала. На рис. 1 приведены четыре типа схем получения и подачи на вход сигнала обратной связи в их канонической форме.

Рис. 1. Канонические операционные схемы:

а – последовательная операционная схема с выходом по напряжению; б – последовательная операционная схема с выходом по току; в – параллельная операционная схема с выходом по напряжению; г – параллельная операционная схема с выходом по току

Последовательная операционная схема (рис. 1, а, б) характери-

зуется последовательным включением входного сигнала и сигнала

8

обратной связи, подаваемых в виде напряжений uвх и uос соответст-

венно на неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ. Характерной особенностью последовательной операционной схемы является ее высокое входное сопротивление, поскольку оно полностью зависит от собственного входного сопротивления неинвертирующего входа, которое в соответствии с первым допущением равно бесконечности.

Параллельная операционная схема (рис. 1, в, г) характеризуется параллельным включением входного сигнала и сигнала обратной связи в виде токов iвх и iос , разность которых втекает в инвертирующий

вход ОУ. Характерной особенностью параллельной операционной схемы является низкое входное сопротивление, определяемое конечными параметрами внешних по отношению к ОУ элементов.

Как будет показано в дальнейшем, каждая из этих двух операционных схем представляет одну большую группу применяемых на практике операционных схем.

Последняя группа операционных схем, которую нельзя представить в виде приведенных операционных канонических форм, пред-

ставляет собой комбинированные операционные схемы, в которых входной сигнал и сигнал обратной связи складываются более сложным образом.

В операционной схеме с выходом по напряжению (рис. 1, а, в)

величина сигнала обратной связи uос или iос определяется выходным напряжением uвых . Характерной особенностью этих схем является

низкое выходное сопротивление.

В операционной схеме с выходом по току (рис. 1, б, г) величина сигнала обратной связи uос или iос определяется выходным током

iвых . Характерной особенностью этих схем является высокое выходное

сопротивление.

Однородная операционная схема (рис. 1, а, г) характеризует-

ся однотипными сигналами на входе и выходе. Коэффициент усиления (передачи) однородной линейной схемы – величина безразмерная.

Неоднородная операционная схема (рис. 1, б, в) характеризуется тем, что имеет разного вида сигналы на входе и выходе. Размерность коэффициента усиления (передачи) линейной неоднородной схемы выражается в [В/А] (б) или [А/В] (в).

9

Линейность

Предположение о линейности является очень действенным средством анализа, и оно используется во всех последующих разделах.

Линейная операционная схема – это такая схема, где цепь обрат-

ной связи составлена из линейных элементов. Для нее справедлив принцип суперпозиции. Линейная операционная схема описывается линейным операционным уравнением.

Строго говоря, каждая операционная схема квазилинейна в пределах, где работает линейная модель ОУ, и становится существенно нелинейной, когда превышаются номинальные уровни сигналов.

Нелинейная операционная схема – это схема, в которой цепь об-

ратной связи нелинейна. Принцип суперпозиции для такой схемы не выполняется. Цепь обратной связи здесь непременно содержит элемент, характеристика которого существенно нелинейна. Идеальное операционное уравнение нелинейной операционной схемы, как правило, нелинейно. Однако обратное утверждение неверно, что будет показано несколько позже.

Частотный диапазон работы

При проектировании операционных схем большое внимание уделяется тому, должна ли передаваться на выход постоянная составляющая сигнала.

Операционная схема постоянного тока обрабатывает или гене-

рирует сигналы в диапазоне частот от нуля до определенного предела. Это наиболее распространенное и наиболее важное применение ОУ.

Операционная схема переменного тока обрабатывает или гене-

рирует сигналы в диапазоне частот, куда не входит нулевая частота. Это снижает требования к некоторым параметрам ОУ и определяет конфигурацию операционной схемы.

Предполагаемые применения

Этот критерий носит чисто практический характер.

Усилители – это операционные схемы, предназначенные для усиления и измерения (малых) напряжений и токов.

Процессоры – это операционные схемы, предназначенные для обработки аналоговых сигналов. Сюда относятся линейные процессоры

10