Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматического управления высокой точности. Учебное пособие для СПО
.pdf
Выход операционного усилителя можно представить как выход источ-
ника э. д. с. с последовательно включенным резистором, который характеризует выходное сопротивление операционного усилителя, как показано
рис. 4.1. При этом значение э. д. с. равно разности входных напряжений
на
(или входных токов), умноженной на большой коэффициент усиления (если речь идет о токах, то коэффициент имеет размерность сопротивления).
U
ВХ1
U
ВЫХ
U
ВХ2
R
ВХ
R
ВХ
R
ВЫХ
E
ВЫХ
Рис. 4.1. Простейшая схема замещения (эквивалентная схема)
операционного усилителя [5]
Идеальный ОУ характеризуется нулевым выходным сопротивлением,
бесконечным входным сопротивлением и бесконечным коэффициентом
усиления, максимально широкой полосой пропускания:
,
R
ВЫХ
0
RR
21 ВХВХ
. (4.2)
В идеальном ОУ отсутствуют шумы на входе, а также нет ограничений
на величину выходного сигнала.
Мерой неидеальности реальных ОУ служат их электрические параметры.
Цель выбора типа ОУ состоит в том, чтобы параметры схемы на основе этого ОУ с расчетными цепями обратной связи в сравнении с характеристиками, реализованными на идеальном ОУ, отличались пренебрежимо мало.
4.3. Основные параметры операционных усилителей
При выборе ОУ следует руководствоваться параметрами, отличающими их и определяющими свойства устройства в целом. ОУ характеризуют
приведенные ниже параметры [10–15].
Коэффициент усиления по напряжению К
1.
К
УU
= U
/ UВХ = К1 К2 ... КN.
ВЫХ
УU
:
31
Это отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его
изменению входного напряжения без учета влияния обратной связи, рав-
К
ное произведению
гает более 10
частоты (
значение
7
рис. 4.2). Для разделения этих понятий будем использовать обо-
W(ω), где ω = 2 πf. Статический коэффициент ОУ – это значение
этой функции от нуля:
Частота единичного усиления f
2.
сигнала, при котором усиление ОУ падает до единицы:
всех его каскадов. Эта безразмерная величина дости-
i
. Следует отличать ее от усиления контура, зависящего от
К
= W(0).
УU
– это значение частоты выходного
1
W(2πf
) = 1. В про-
1
порциональном усилителе с резисторными обратными связями произведение полосы равномерного усиления на коэффициент этого усиления по-
f
стоянно и равно
Максимальное выходное напряжение U
3.
данного ОУ.
1
ВЫХ.МАКС.
– максимальное значение выходного напряжения, при котором не возникает ограничений сигнала.
Этот параметр зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки.
Скорость нарастания выходного напряжения V
4.
– отношение из-
U.ВЫХ
менения выходного напряжения от 10 до 90 % номинального значения ко
времени, за которое произошло это изменение. Она характеризует скорость
отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ
охватывается ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
Напряжение смещения U
5.
– абсолютное значение напряжения, ко-
СМ
торое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было
равно нулю.
Входные токи I
6.
– токи, протекающие через входные контакты ОУ.
ВХ
Эти токи обусловлены базовыми токами входных транзисторов (или токами
утечки затворов полевых транзисторов). Входные токи, дополнительно
нагружают источник сигнала, проходя через его внутреннее сопротивление.
Разность входных токов I
7.
. Входные токи могут отличаться на
ВХ
10–20 %.
Дрейф напряжения смещения U
8.
(или
СМ
U
/
T). Изменения
СМ
параметра с изменением температуры называют дрейфом. Приводят также
изменения параметров с течением времени. Обычно величина изменения
º
параметра за один месяц соизмерима с дрейфом на 1
9. Дрейф разности входных токов
I
(или
ВХ
С.
I
/
T, дрейф вели-
ВХ
чины по п. 8).
U
10. Максимальное входное напряжение
– напряжение, прикладыва-
ВХ
емое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.
11. Максимальное синфазное входное напряжение U
– наиболь-
ВХ.СФ.
шее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора.
32
К
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
– отношение
ОС.СФ.
коэффициента усиления (КУ) напряжения, приложенного между входами
ОУ, к КУ общего для обоих входов напряжения.
I
13. Выходной ток
– максимальное значение выходного тока ОУ,
ВЫХ
при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение
R
определяет минимальное значение сопротивления нагрузки
I
часто приводится вместо значения
ВЫХ
.
14. Коэффициент подавления влияния источника питания
, которое
Н
К
ВИП
– приведенная к входу чувствительность выходного напряжения к изменению
напряжения источников питания.
15. Спектральная плотность шума, приведенного к входу в заданной
e
полосе,
, (нВ / Гц
n
1/2
).
L()=20lg||W(j)||
KYU
lg
f
T
Рис. 4.2. Типичная АЧХ ОУ
Для всех параметров могут быть указаны максимальные, минимальные и
типовые значения. Для применения ОУ достаточно знать максимальные
значения параметров, которые целесообразно снижать (п. 5–9, 15), и минимальные значения параметров, которые целесообразно повышать (п. 1–8,
10–14).
4.4. Классификация операционных усилителей
1
Классификация ОУ по ГОСТ 44.465-86 безнадежно устарела [10–15].
Можно предложить разделение операционных усилителей на следующие группы.
1. Универсальные ОУ (общего применения) для применения в боль-
K
шинстве случаев. У таких усилителей
> 105; f1 > 10 МГц, а их стои-
УU
мость невысокая.
33
2. Прецизионные (высокоточные) ОУ для высокоточного измерения,
усиления и преобразования сигналов в низкочастотной области, включая
К
нулевые частоты. У таких усилителей
108, UСМ < 10 мкВ.
УU
3. Быстродействующие (широкополосные) – для преобразования и уси-
f
ления высокочастотных сигналов. В таких усилителях
V
U.ВЫХ
200 В/мкс.
4. Микромощные и регулируемые ОУ, у которых
I
ПОТ
1 мА.
> 30 МГц,
1
5. Малошумящие ОУ, у которых нормируется спектральная плотность
1/2
шума, приведенная к входу, и эта величина не превышает 1 нВ/Гц
.
6. Высоковольтные ОУ. Такие усилители могут формировать выходной
сигнал амплитудой более 15 В (в двуполярном режиме). Некоторые усилители достигают значений выходного сигала 600 В и выше.
7. Усилители с большим выходным током (способные работать на
нагрузку менее 500 Ом, некоторые усилители могут работать в режиме
короткого замыкания). Существуют усилители, формирующие выходной
ток 1 А и более.
8. Особо мощные ОУ – формирующие сигнал повышенного напряжения и способные при этом обеспечить большой ток.
Применение в ГОСТ 44.465-86 названия «инструментальный» противоречит распространенному в электронной технике употреблению этого
термина (синоним – измерительный усилитель) для обозначения законченной схемы, которая имеет фиксированный коэффициент усиления по
дифференциальному сигналу и может быть построена на прецизионных
ОУ. Поскольку устройство этого класса нами будет рассмотрено ниже,
этот термин мы будем использовать исключительно в указанном значении.
В микромощных усилителях ток потребления может регулироваться
внешним напряжением или изменением сопротивления в цепи управления
током. При этом меняются и параметры ОУ: уменьшение тока вызывает
уменьшение быстродействия и наоборот.
Также применяется классификация по количеству каналов и иным признакам.
В частности, существуют сдвоенные и счетверенные усилители. Существуют и усилители, содержащие в своем корпусе другие элементы,
например фотоприемники или ключи.
Наиболее часто встречающаяся компоновка усилителя в корпусе соответствует следующему назначению выводов (при их общем количестве 8):
2 – инвертирующий вход, 3 – неинвертирующий вход, 4 – отрицательное
питание, 6 – выход усилителя, 7 – положительное питание. Остальные выводы не используются или используются для частотной коррекции или иных
целей, например управление током потребления. Некоторые операционные
усилители в круглом корпусе отличаются назначением выводов лишь на
единицу в нумерации, поэтому при повороте усилителя он легко может быть
34
впаян в печатную плату, которая разведена для установки операционного
усилителя со стандартным назначением выводов. На практике такая универсальность бывает крайне полезной и удобной для модификаций.
При выборе операционных усилителей следует обращать внимание на
все параметры. Например, при выборе прецизионного усилителя требуется
не только малое значение смещения, но и малые дрейфы этих смещений, а
также малые низкочастотные шумы и т. д.
4.5. Особенности зарубежных ОУ
Каждый производитель ОУ дает собственную классификацию. Так, в
каталоге фирмы
«Analog Devices» ОУ даны по двуступенчатой классифи-
кации [16], в некоторых случаях дополнительно выделены подразделы по
специальным признакам.
Precision J-FET Amplifiers (прецизионные усилители).
I.
Single Supply Amplifiers (усилители с одним питанием).
II.
Precision Bipolar Amplifiers (прецизионные биполярные ОУ).
III.
High Speed Video Buffers (высокоскоростные видеобуферы).
IV.
Current Voltage Feedback Amplifiers (усилители с токовой ОС).
V.
Low Power Amplifiers (маломощные ОУ).
VI.
В каждом разделе подразделяются (необязательно все позиции присутствуют в классификации):
Single (одноканальные); Dual (сдвоенные); Quad (счетверенные);
Precision (прецизионные);
Bipolar (биполярные);
Low Power (маломощные); Very Low Power (очень маломощные);
Low Noise (малошумящие);
Fast (быстрые);
Electrometer (электроизмерительные);
Rail-to-Rail (от шины к шине);
High Speed (высокоскоростные);
Voltage Feedback (с ОС по напряжению);
Current Feedback (с ОС по току);
Low Initial Offset (малое начальное рассогласование);
Input Bias Current (малое токовое смещение);
Super Beta Versions (с очень большим усилением);
Low Voltage Noise (малый шум по напряжению);
Input Bias Current (малое токовое смещение);
First Generation (первое поколение);
Second Generation (второе поколение);
Special Function (специального назначения);
35
Clamp Amplifiers (усилитель-ограничитель);
–
–
2
Buffers (видеобуфер).
Пользоваться этой классификацией проще, но следует отметить:
что видеобуферы не являются ОУ (K
1)
некоторые другие усилители в этой классификации также не явля-
2)
= 1, реже K = 2);
УU
ются операционными.
Произведение полосы пропускания на коэффициент усиления в этой
полосе для ОУ, в котором затухание усиления АЧХ происходит с наклоном –20 дБ/дек, равно полосе единичного усиления. Для усилителей, в которых полоса единичного усиления меньше этого произведения (так как с
некоторой частоты начинается затухание с отрицательным наклоном –
40 дБ/дек), следовало бы указывать значение частоты начала нового
наклона, так как такой усилитель не является операционным. Увеличение
этого показателя может быть достигнуто, например, последовательным
включением двух усилительных каскадов, что не расширяет полосы про-
W
пускания. Поскольку эквивалентная АЧХ соединения
W
ведению АЧХ отдельных каскадов
(ω) и W2(ω), на логарифмическом
1
(ω) равна произ-
Э
графике эти характеристики складываются. При этом статический коэффициент соединения равен произведению коэффициентов каждого каскада, полоса полного усиления соответствует полосе каскада с меньшей полосой, наклон АЧХ, начиная с некоторой частоты, соответствующей полосе более быстродействующего каскада, становится двойным (–40 дБ/дек),
как показано на
рис. 4.3. Полоса единичного усиления f
ному расчетному значению
*
f
.
1
не равна указан-
1
L()
20 lg(КУU)
WЭ()
20 дБ/дек
W1()
W2()
40 дБ/дек
lg
2f
*
1
f
1
Рис. 4.3. АЧХ усилителя, который не является операционным из-за наличия
участка затухания с наклоном –40 дБ/дек
36
Таким образом, некоторые усилители, обозначенные в справочниках
как ОУ, таковыми не являются. Отличить их от ОУ можно по виду АЧХ,
если она приведена, либо по минимально допустимому коэффициенту
К
усиления
> 1. При коэффициенте усиления схемы больше указанного
МИН
значения (т. е. при меньшей глубине обратной связи) этот усилитель проявляет свойства ОУ.
Фирма
«MAXIM» придерживается близкой классификации [17]. Рас-
сматриваются два подраздела: прецизионные и маломощные. Каждый из
них разбивается на подклассы.
1. Прецизионные усилители: стабилизированные по отсечке (
stabilized
), с малым напряжением смещения, с программируемым усилени-
chopper
ем, с малым токовым смещением, малошумящие.
2. Маломощные усилители: с одним напряжением питания, с одним
питанием и высокоскоростные, высокоскоростные.
Фирма
1.
«Burr Brown» также дает иную классификацию [18].
ОУ специального назначения → одноканальные или двуканальные,
а также с управлением или без управления усилением.
ОУ с малым дрейфом → FET (на полевых транзисторах) и биполяр-
2.
ные, одноканальные и сдвоенные, широкополосные, маломощные.
ОУ с малым токовым смещением → FET и биполярные, однока-
3.
нальные, сдвоенные и счетверенные, ОУ с ультрамалым токовым смещением, дешевые, широкополосные.
Малошумящие → FET и биполярные, одноканальные и сдвоенные,
4.
дешевые.
Буферные ОУ с единичным усилением → высококачественные, де-
5.
шевые, транс-проводящие усилители и буферы с высокой скоростью
нарастания.
Широкополосные → FET и биполярные, одноканальные, сдвоенные
6.
и счетверенные, ОУ с токовой ОС, маломощные ОУ с токовой ОС, транспроводящие усилители и буферы, сдвоенные и четверенные, малошумящие, с малыми искажениями, очень широкополосные малошумящие,
мощные, с высокой скоростью нарастания, с малым временем установления, очень быстрые с коммутируемым выходом, дешевые, с усилением,
управляемым напряжением.
Высоковольтные и сильноточные ОУ → одноканальные и сдвоенные.
7.
4.6. Операционный усилитель как замкнутая система
В ОУ реализуется принцип ООС. Базовая схема включения показана на
рис. 4.4, структурная схема ОУ с ООС – на рис. 4.5. На принципиальных
схемах шины питания иногда не показывают, так же как и выводы микросхем, соединенные с шинами питания.
37
U
ВХ1
R1
U
ВХ2
R3
R4
Рис. 4.4. Типовая схема включения операционного усилителя
в режиме вычитания сигналов
Здесь входной сигнал обозначен
Y = U
, а шум – величиной N. Структурная схема соответствует системе
ВЫХ
уравнений
R2
U
ВЫХ
*
V
= U
Y = X + H; (4.3)
ВХ1
– U
, выходной сигнал –
ВХ2
X = W
E, E = V– Q, V = W
ПР
V , Q = W
ВХ
Z, Z = Y+N. (4.4)
ОС
Исключая промежуточные величины (4.3) из (4.4), получаем
*
– W
(Y+N)] + H. (4.5)
ОС
*
– W
*
W
W
WWN
ОСПР
WW
*
ВХ
ОС
NV
. (4.8)
N + H. (4.6)
ОС WПР
H
111
. (4.7)
WW
ОСПРОСПР
(
WОС WПР +1)Y = WПР WВХV
Обозначив
WОСW
Y
В ОУ значение
Y = WПР [WВХV
= W, вычислим Y:
ПР
VWW
ПРВХ
WW
W
ОСПР
велико, поэтому справедливо
ПР
Y
38
H(s)
Σ
E(s)
W
ПР
(s)
X(s)
Y(s)
Σ
V*(s)
WВХ(s)
V(s)
-
Z(s) N(s)
Рис. 4.5. Структурная схема операционного усилителя
Если величины V* и N означают входное и выходное напряжения схемы
ОУ с ОС, то передаточные функции
водимости входной цепи и цепи ОС (величине, обратной сопротивлению).
Кроме того, передаточная функция прямой ветви отрицательна и ОС не вычитается, а суммируется, поэтому в выражении для
Таким образом, для идеального ОУ, охваченного ОС сопротивлением
R
, на вход которого подается напряжение UВХ через сопротивление RВХ,
ОС
значение выходного напряжения будет, согласно формуле (4.8), определяться соотношением (шумом
U
4.7. Инструментальный усилитель
на основе операционного усилителя
W
N пренебрегаем)
ВЫХ
W
(s)
ОС
и WОС должны соответствовать про-
ВХ
Σ
Y возникает знак «минус».
R
ОС
R
ВХ
. (4.9)
U
ВХ
Измерительный (инструментальный) усилитель (ИУ) – это усилитель с
дифференциальным входом. Он усиливает только разность входных
напряжений (
ВХ2
– U
) и не реагирует на синфазное входное напряже-
ВХ1
U
ние [9–15]. Идеальный ИУ имеет:
постоянный (конечный) коэффициент усиления, не зависящий от
1)
времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки,
температуры и влажности;
бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и
2)
изменений напряжения питания;
нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих
3)
смещений;
нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, отда-
4)
ваемого в нагрузку;
бесконечный входной импеданс.
5)
рис. 4.6 показан простейший ИУ на трех ОУ. Здесь R
На
= R7.
R
6
= R3, R4 = R5,
2
39
Рис. 4.6. Измерительный усилитель на трех ОУ
Эта схема обеспечивает лучший K
по сравнению со схемами на
ОС.СФ.
одном и двух ОУ и менее чувствительна к точности подбора резисторов.
Применение микросхем ИУ облегчает задачу усиления слабого сигнала. Выбор микросхемы диктуется особенностями применения, стоимостью
и доступностью. Чаще всего в них реализована схема, показанная на
рис. 4.6, при этом резистор R
*
– внешний, остальные детали – внутренние.
1
4.8. Суммирование и вычитание сигналов
Вычитание двух сигналов осуществляет схема, приведенная на
рис. 4.4.
Схема суммирования двух сигналов с последующим инвертированием показана на
рис. 4.7.
R2
U
ВХ1
U
ВХ2
R1
R3
Рис. 4.7. Схема суммирования с инвертированием
U
ВЫХ
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]