Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные и микропроцессорные устройства. Учебное пособие
.pdf
3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Этот термин относится к усилителям постоянного тока (УПТ) с
большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный
вход (два вывода) и общий выход (один вывод). Они выполняются в
микроэлектронном исполнении в виде интегральных микросхем
(ИМС).
Свое название операционные (или решающие) усилители получили
из-за всевозможных решающих устройств, реализуемых на их основе.
При анализе
пущениями, при которых ОУ рассматривается как идеальный.
Свойства идеального ОУ:
– коэффициент усиления по напряжению бесконечно большой (реально он составляет от 150 000 до 700 000, что практически недалеко
от идеала);
– входное сопротивление ОУ бесконечно большое, т. е. входной
ток равен нулю (реально он составляет доли микроампер
ном каскаде на полевых транзисторах – наноамперы, что практически
недалеко от идеала);
– выходное сопротивление равно нулю, т. е. ОУ можно рассматривать как идеальный источник ЭДС (реально выходное сопротивление
составляет десятки ом и это утверждение справедливо для высокоомной нагрузки; причем в справочных данных указывается минимально
допустимая величина
Исходя из принятых допущений полагают, что в линейном режиме работы напряжение между входами ОУ равно нулю (так как
U
= U
вх
Основу ОУ составляют дифференциальные каскады, а выходным
каскадом является эмиттерный повторитель, обеспечивающий нагрузочную способность усилителя. Рассматривать принципиальную схему
самого ОУ мы не будем, а рассмотрим наиболее часто встречающиеся
схемы на его основе.
работы схем мы будем пользоваться общепринятыми до-
нагрузки, что опять дает приближение к идеалу).
/ ku).
вых
, а при вход-
3.1. Компаратор
Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух
напряжений. Компаратор изменяет уровень выходного напряжения
при равенстве уровней входных сигналов. Выход компаратора может
принимать два значения: +U
ком входе большее напряжение.
или –U
max
51
в зависимости от того, на ка-
max
Схемотехнически компаратор – это ОУ, включенный без обратных
связей (рис. 31). Один вход называют инвертирующим (U
, U –), по-
1
скольку при заземленном втором входе напряжение на выходе всегда
противоположно по знаку напряжению на инвертирующем входе. Другой вход называют неинвертирующим (U
, U +), поскольку при зазем-
2
ленном первом входе напряжение на выходе всегда того же знака, что
и напряжение на неинвертирующем входе.
Рис. 31. Компаратор
Амплитудные (передаточные) характеристики, т. е. зависимость
амплитуды напряжения на выходе от амплитуды напряжения на входе,
показаны на рис. 31.
3.2. Неинвертирующий усилитель
Непосредственно ОУ в качестве усилителя не применяется из-за
большого коэффициента усиления и связанного с этим отсутствия линейного участка в передаточной характеристике. Для улучшения параметров усилителя применяют обратные связи (ОС). ОС отрицательна
(ООС), если она подается с выхода ОУ на его инвертирующий вход.
И ОС положительна (ПОС), если
вход.
она подается на неинвертирующий
Рис. 32. Неинвертирующий усилитель
52
Коэффициент усиления при наличии обратных связей определяется
только внешними резисторами и не зависит от коэффициента усиления
самого операционного усилителя. При наличии отрицательной ОС и
подаче сигнала на неинвертирующий вход имеем неинвертирующий
усилитель (рис. 32) с коэффициентом усиления
ku = (R1 + R2) / R1 .
Данное соотношение нетрудно получить, применяя закон Ома и
учитывая свойства идеального ОУ. Так как I
сторы R
–
U
, R2 определим по формуле IR1 = U
1
– U + = 0, то Uвх = U –, а U
–
= I
. Подставив полученные соотно-
R1R1
= 0, то ток через рези-
вх ОУ
/(R1 + R2). Поскольку
вых
шения в формулу для коэффициента усиления, можно получить приведенное выше выражение.
Величины сопротивлений ограничены по минимальной величине
нагрузочной способностью ОУ (обычно 2 кОм); по максимальной –
соизмеримостью токов через резисторы с входными токами ОУ (справочные данные конкретного ОУ), что приводит к влиянию неидеальности ОУ на
работу схемы.
3.3. Инвертирующий усилитель
При наличии отрицательной обратной связи и подаче сигнала на
инвертирующий вход имеем инвертирующий усилитель (рис. 33) с коэффициентом усиления
k
= –R2 / R1 .
u
Так как I
тогда I
вх.ОУ
= Uвх/R1, а IR2 = –U
R1
выше формулу.
= 0, то ток IR1 = IR2. Поскольку U – – U + = 0, то U
. Отсюда легко вывести приведенную
вых/R2
–
= 0,
Рис. 33. Инвертирующий усилитель
53
Рассматривая работу усилителей, можно сделать следующий вывод. Введение ООС в усилители позволяет: повысить стабильность
выходного напряжения; уменьшить выходное сопротивление; расширить линейную часть передаточной характеристики; снизить искажения при передаче сигналов большой амплитуды.
3.4. Преобразователь тока в напряжение
Схема преобразователя тока в напряжение, которая является разновидностью схемы ИУ, изображена на рис. 34.
Входной ток равен току через резистор обратной связи (R2). Его
определяют из выражения IR2 = –U
Отсюда U
= –IвхR2.
вых
вых
/ R2.
Рис. 34. Преобразователь тока
в напряжение
3.5. Сумматор
Инвертирующий сумматор изображен на рис. 35. Схема инвертирующего сумматора собрана на ОУ с параллельной ООС на инвертирующий вход. Так как входное сопротивление ОУ велико, то
I
+ I2 = IОС (по первому закону Кирхгофа). Вследствие того, что неин-
1
вертирующий вход заземлен (а напряжение между входами равно нулю), I1 = U
вх1/R1
, I2 = U
U
вх2/R2
= – (U
вых
, IОС = –U
вх1R3/R1
вых/R3
+ U
вх2R3/R2
, то отсюда
).
Изменяя сопротивление в цепи обратной связи или входные сопротивления, мы можем регулировать коэффициенты усиления входных
сигналов.
54
Рис. 35. Сумматор
3.6. Триггер Шмидта
При введении положительной ОС на ОУ получаем триггер Шмидта. В зависимости от того, на какой вход подается сигнал, различают
инвертирующий и неинвертирующий триггер Шмидта. Условнографическое изображение и передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмидта представлены на рис. 36. Как видно из рисунка, характерной особенностью триггера Шмитта является наличие петли гистерезиса в его передаточной характеристике.
При большом положительном входном напряжении выходное
напряжение равно –U
де определится по закону Ома: U + = –U
нии входного напряжения Uвх до значения U + выходное напряжение
изменится скачком до +U
щем входе U + = +U
жения до U
–U
. Так формируется амплитудная характеристика триггера Шмид-
max
+
выход компаратора скачком изменит свое состояние до
та. Отметим, что характеристика симметрична относительно второго
входного напряжения (в данном случае – нуля).
. Тогда напряжение на неинвертирующем вхо-
max
/ (R1 + R2). При уменьше-
maxR1
. При этом напряжение на неинвертирую-
max
/ (R1 + R2). При увеличении входного напря-
maxR1
Рис. 36. Триггер Шмидта
55
3.7. Мультивибраторы
Мультивибраторы предназначены для выработки прямоугольных
импульсов. Относятся к семейству релаксационных генераторов
(от relax – ослаблять, уменьшать напряжение). Релаксаторы имеют не
более одного состояния устойчивого равновесия или же характеризуются состояниями квазиравновесия, при котором токи и напряжения
меняются относительно медленно и приходят к критическому состоянию, при котором релаксатор скачком переходит из
одного состояния
в другое. Возможны три режима работы: автогенераторный, ждущий и
режим синхронизации. На практике применяют два первых.
Автогенераторный мультивибратор
Автогенераторный мультивибратор (АГМВ), рис. 37, работает без
подачи входного сигнала и генерирует периодически повторяющиеся
импульсы прямоугольной формы.
Есть два состояния квазиравновесия. Переход из одного состояния
в другое и обратно определяется параметрами схемы. Основой АГМВ
служат ОУ с ПОС и времязадающая цепь R
1
C.
Рис. 37. Автогенераторный
мультивибратор
В исходном состоянии, при отключенном источнике питания ОУ
конденсатор С разряжен. При подаче напряжения питания выходное
напряжение ОУ отклонится либо в +U
= +U
U
вых
. Конденсатор С заряжается через R1, и напряжение конден-
max
, либо в –U
max
. Например, пусть
max
сатора прикладывается к инвертирующему входу ОУ. На прямой вход
через делитель R
триггере Шмидта). Когда напряжение на конденсаторе (U
– R3 подается напряжение ПОС (вывод величины см. в
2
) достигает
с
56
значения напряжения на неинвертирующем входе (U +), компаратор переключается (процесс лавинообразный из-за ПОС) и U
вых
= –U
. Начи-
max
нается перезаряд конденсатора С, и все повторяется с другой поляр-
ностью. Процесс устанавливается и характеризуется изменением напряжения на конденсаторе от +U
+
до –U + и обратно.
Изменение частоты АГМВ производится изменением параметров
схемы. Темп изменения напряжения на конденсаторе, т. е. постоянную
времени, можно задавать величиной R
или C, а делителем R2 – R3
1
можно изменять уровень напряжения на неинвертирующем входе.
И то и другое ведет к изменению периода выходных импульсов, т. е.
частоты.
Ждущий мультивибратор
Ждущий мультивибратор (ЖМВ), рис. 38, или одновибратор, является формирователем одиночного импульса прямоугольной формы и
фиксированной длительности, возникающего на выходе при поступлении на вход запускающего импульса.
Рис. 38. Ждущий мультивибратор
Устойчивое состояние характеризует исходный режим (режим
ожидания). Неустойчивое состояние начинается с приходом запускающего импульса и его продолжительность зависит от параметров
схемы.
Одновибратор содержит конденсатор С
компаратора на ОУ, через резистор R
рез цепочку R
. ОУ выполняет следующие функции: компаратор и
2–R3
57
. В схеме использована ПОС че-
1
, связанный с выходом
1
источник напряжения для заряда С1. Элементы С, R, VD составляют
цепь запуска, через них на схему поступает запускающий импульс.
Данная дифференцирующая цепь с отсекающим диодом позволяет
формировать запускающий импульс из входных импульсов произвольной длительности.
В исходном состоянии (ждущий режим) U
ля» диод VD
напряжения на резисторе R
денсатор С
резистор R1 выход ОУ протекает ток, падением
1
ОУ смещен в состояние U
1
разряжен, так как потенциал инвертирующего входа бли-
1
= 0. По цепи «зем-
вх
вых
= –U
max
. Кон-
зок к нулю (это достигается подбором параметров схемы).
При подаче с цепи запуска короткого положительного входного
импульса напряжения, амплитуда которого должна быть больше сигнала ПОС с выхода ОУ, триггер Шмитта скачком переходит в противоположное состояние и U
вых
= +U
. Далее надобность в поддержа-
max
нии напряжения на входе отпадает, так как положительное напряжение
по цепи ПОС подается на вход усилителя. Конденсатор С
через резистор R
до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не до-
1
заряжается
1
стигнет значения напряжения ПОС на прямом входе (см. АГМВ). После чего компаратор переключается в исходное состояние. Конденса-
разряжается через резистор R1 до напряжения в исходном состо-
тор С
1
янии, и одновибратор готов к приходу нового импульса.
Длительность импульса ЖМВ определяется параметрами схемы, а
частота выходных импульсов определяется входной частотой.
3.8. Интегратор
Интегратор (рис. 39) создан на базе инвертирующего ОУ. В цепь
ООС включен конденсатор. Поскольку входное сопротивление ОУ велико, то I
= –Iвх = –Uвх/R.
c
Так как напряжение между входами ИМС ОУ равно нулю, то
= Uc.
U
вых
Тогда U
Поскольку у нас U
= (1/С) Ic(t) dt = – (1/RC) Uвх (t) dt.
вых
(t) постоянно, то при нулевых начальных усло-
вх
виях
U
= –Uвхt / (RC).
вых
Величины емкости и сопротивления влияют на постоянную времени, т. е. на темп изменения выходного сигнала.
58
Рис. 39. Интегратор
ГПН и ГТН
Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной и треугольной формы. Эти схемы
строятся на основе интегратора путем формирования входных импульсов специальной формы.
Генератор пилообразного напряжения (ГПН) можно получить из
интегратора, если параллельно конденсатору включить ключ (например, транзисторный) и с некоторой периодичностью замыкать его на
короткое время. Конденсатор
тока и напряжение на нем растет по линейному закону (см. работу интегратора). При замыкании ключа конденсатор практически мгновенно
разряжается через ключ, так как сопротивление ключа мало. При размыкании ключа процесс заряда конденсатора повторяется.
Генератор треугольного напряжения (ГТН) можно получить, подавая на вход
импульсную последовательность. Это вызовет периодический перезаряд конденсатора то до положительного, то до отрицательного напряжения. Поскольку заряд конденсатора будет происходить по линейному закону, то на выходе будут формироваться треугольные импульсы.
интегратора меандр, т. е. двуполярную прямоугольную
С заряжается от источника постоянного
Практическое задание 3
Исследование решающих усилителей
Цель работы: исследование различных схем, построенных на базе
операционных усилителей, снятие их характеристик и построение временных диаграмм, описывающих их работу.
Исследовательский стенд имеет ряд плат, посредством которых
осуществляется подключение исследуемой схемы к индикаторной аппаратуре и питанию. Переключателями в соответствующих зонах осуществляется подключение требуемых схем и элементов.
59
Компаратор
Компаратором (К) называют устройство, предназначенное для
сравнения двух напряжений. Компаратор изменяет уровень выходного
напряжения, когда уровни изменяющихся входных сигналов становятся равными. Из-за большого коэффициента усиления ОУ компаратор
переключается при очень малой разности входных напряжений. Причем выход компаратора может принимать два значения: +U
–U
(считаем коэффициент усиления бесконечно большим и, как
вых max
вых max
или
следствие, отсутствие линейной зоны в передаточной характеристике
компаратора). Если на один из входов подавать синусоидальное
напряжение, а на другой вход – постоянное, то выходное напряжение
компаратора будет иметь прямоугольную форму. Причем частота меандра будет определяться частотой входного напряжения. Коэффициент заполнения = t
/T (tи – время импульса; T – период следования
и
импульсов) будет зависеть от величины постоянного напряжения на
другом входе ОУ.
Неинвертирующий усилитель
Непосредственно ОУ в качестве усилителя не применяется, так как
линейный участок передаточной характеристики ограничен весьма малыми входными напряжениями, равными U
вых max/ku
входного напряжения за эти границы выходное напряжение не изменяется (ОУ входит в режим насыщения), т. е. появляются нелинейные
искажения. Кроме того k
ОУ меняется в широких пределах и очень
u
сильно зависит от температуры. Для улучшения параметров применяют ОУ с ОС. Обратная связь (ОС) отрицательная, если она подается с
выхода ОУ на инвертирующий вход. ОС положительна, если она подается с выхода на неинвертирующий вход. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (НУ) с
ООС определяют по формуле
. При увеличении
= (R1 + RОС)/R1.
k
u
Таким образом, k
воляет стабилизировать k
шатся U
растанию U
и UОС, возрастет разность (Uвх – UОС), что приведет к воз-
вых
, компенсирующему первоначальное уменьшение вы-
вых
ходного напряжения. Сами сопротивления R
НУ не зависит от ku ОУ, т. е. введение ООС поз-
u
. Например, если ku уменьшится, то умень-
u
, RОС ограничены: по
1
минимальному значению – нагрузочной способностью ОУ; по максимальному значению – соизмеримостью токов через резисторы
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]