Операционные усилители

ОУ обычно состоят из входного каскада, каскада сдвига потенциального уровня, выходного каскада.

Входной каскад – обычно ДУ.

Если коэффициент усиления ДУ недостаточен, используют дополнительные ДК с однофазным выходом. К выходу усилительного каскада подключается схема сдвига уровня, обеспечивающая на выходе потенциала, равного входному в отсутствие усиливаемого сигнала.

Выходной каскад – это обычно усилитель мощности и одновременно осуществляется согласование усилителя с нагрузкой.

Для питания используют обычно 2 источника питания: +15 и –15 В. Для ОУ допускается подключение внешних цепей обратной связи.

Идеальный ОУ имеет следующие характеристики:

1. Входной импеданс (для дифференциального и синфазного сигнала) равен бесконечности, а входные токи равны нулю.

1. Выходной импеданс равен нулю (при разомкнутой ОС).

2. Коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности.

3. Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

4. Выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение сдвига равно нулю).

5. Выходное напряжение может изменяться мгновенно, бесконечная скорость нарастания.

6. Характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения источника питания

Условные обозначения ОУ в схемах

741

741741

Установка нуля   Пустой

Инвертирующий вход  +U (обычно +15 В) +

Неинвертирующий вход  Выход  -

-U (обычно –15 В)  Установка нуля

Включение ОУ с обратной связью

Z_ос

U₂ Z_S

A_0U U₀

U₁

U = U₂ - U₁ ; U₀ = A_0U  U. A_0U – коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Выходное напряжение U₀

+U

U₀=A_0UU  B

U=U₁-U₂,входное напряжение (диф.)

1-2 В

-U

Идеальная передаточная характеристика ОУ. Ширина линейного участка обычно невелика, поэтому для получения неискаженного выходного сигнала используют цепи обратной связи.

В ОУ реализуется отрицательная обратная связь.

Параметры универсальных ОУ.

1. Коэффициент усиления по напряжению и фазовый сдвиг. A_U – порядка 100 000 до 1 000 000, чаще определяют в Дб, зависит от частоты, диапазон которой (полоса пропускания), обычно, 1 –10 МГц (f_ср), когда усиление уменьшается до 1. Сдвиг по фазе = 90⁰ на частотах более вопрягающей (f_ср) и растет далее до120-160⁰ по мере приближения к точке единичного усиления. Вводят понятие запаса по фазе: 180 - f_ср 

2. Входной ток, входной ток сдвига, входной импеданс. Входной ток смещения I_вх – обычно порядка 80 нА – до единиц наноАмпер и пикоамперный диапазон для полевых входных каскадов. Входной ток сдвига – следствие разбаланса плеч ДК, составляет обычно 0,1*I_вх. Входной импеданс для ДК обычно определяется для диф. сигнала (один вход заземлен, импеданс меряют на другом входе), составляет  2МОм, на полевых приборах – более 10¹² Ом, минимальные величины – десятки килоом.

3. Входной диапазон синфазного сигнала. При номиналах питания 15 В, составляет 12 В. Определяются максимальные значения, превышение которых приводит к разрушению схемы, обычно, это сигналы порядка питающих напряжений.

4. Входной диапазон дифференциального сигнала. Обычно это величина 0,5 В. Не более, чем U_ИП.

5. Входное напряжение сдвига – величина входного напряжения для получения на выходе нулевого напряжения. Следствие разбалансировки. Если при нулевом входном сигнале закоротить входы, на выходе может быть сигнал, равный U_KK или U_ЭЭ, чтобы получить на выходе нулевое напряжение, а вход нужно подать некоторое U_сдв. Типовая величина: 2мВ, но менее 6мВ, в прецизионных ОУ – 30 мкВ. Бывает предусмотрена «настройка нуля» потенциометром.

6. Выходное сопротивление, его зависимость от сопротивления нагрузки. Величина от 75 Ом до тысяч Ом в маломощных ОУ. Задают размах выходного напряжения и максимальный выходной ток (обычно около 20 мА). Размах выходного напряжения может быть на 2 В ниже U_KK и U_ЭЭ при нагрузке более 2кОм.

7. Скорость нарастания. Обычно 0,5-1000 В/мкс. Минимальная скорость нарастания должна быть порядка 2Af в секунду, где А – амплитуда сигнала. Скорость измеряется при усилении, равном 1, в точке пересечения кривой выходного напряжения с осью абсцисс.

8. Температурная зависимость параметров. Особенно важно для входного тока (напряжения) сдвига, остальные температурные изменения компенсируются цепями обратных связей.

9. КООС ( A_Uдиф/A_Uсинф при разомкнутой ОС) КООС=60-120 дБ.

10. КОНП – приведенное ко входу изменение выходного напряжения при изменении напряжения источника питания на 1 В, КОНП=5-60 мкВ/В.

11. Шумовые входные напряжение и ток.

Основные схемы включения ОУ.

При рассмотрении схем ОУ пользуются двумя правилами: 1) выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между входами была равна нулю, 2) входы ОУ ток не потребляют.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель.

U_A=U_вх U_вх1 Вход +

U_A=U_выхR1/(R1+R2) выход

A_U=U_вых/U_вх=1+R2/R1 (*) R1 A

-

Входной импеданс бесконечен, а выходной - R2

приближается к нулю.

Вболее общем случае:

U_{1 +}

Можно ввести коэффициент обратной

связи: F = u_ос/u₀ = Z1/(Z1+Z2)

U₀=A_0UU_i U_i U₀

U_i=U₁-U₂^'-U_ос=U₁-U₂^’-FU₀ U₂ -

U₀(1+FA_0U)=A_0U(U₁-U₂^')

U₂^'=U₂[Z2/(Z1+Z2)] Z1 Z2

U₀=[A_0U/(1+FA_0U)](U₁-U₂^')=A_Uос(U₁-U₂^’)

U₂^'+u_ос

A_Uос=A_0U/(1+FA_0U)A_0U/FA_0U=(Z1+Z2)/Z1=

=A_Uос=1+Z2/Z1. Это соотношение получено для бесконечной величины A_0U.

Для случая конечной величины коэффициента усиления

U_i=U₀/A_0U, U₂^'=U₁-U₀/A_0U.

А по уравнениям узловых потенциалов

(U₂-U₁+U₀/A_oU)Y1=(U₁-U₀/A_0U-U₀)Y2,  U₀(Y2+Y2/A_0U+Y1/A_0U)= -U₂Y1+U₁(Y1+Y2).

.

По полученной формуле выходное напряжение в первой схеме (*) U₀=A_UосU₁=(1+R2/R1)U₁. U₂=0. A_Uoc=1/F=(Z1+Z2)/Z1.

Изобразим передаточные характеристики ОУ с ОС и без нее:

U₀ +U_ИП-1В

Без ОС A_0U c ОС A_Uос

U_i,

-U_ИП+1В

Величина A_0U может быть много больше A_Uос, поэтому можно расширить динамический диапазон входного напряжения для линейного режима в схемах с ОС.

Коэффициенты усиления в схемах ОУ без ОС A_U сильно отличаются даже в одной партии схем (3:1 и даже 10:1), а также сильно зависят от частоты, нестабильности питания и т.д.

Цепи ОС позволяют сделать все эти параметры более стабильными, коэффициент усиления зависит только от точности подбора номиналов резисторов.

Типовые схемы ОУ.

Инвертирующий усилитель. Повторитель

+ выход U₁ вход + выход

- U₀ -

U₂ вх. R1 R2

U₀= -(R2/R1)U₂ Z_вх>>100 Ком, Z_0(вых)<<100 Ом, U₀U₁

Суммирующий усилитель Дифференциальный усилитель

+ U₀ U₂ R1 + U₀

R2

- -

U₁ R1¹ R2 U₁ R1 A R2

U₂ R1²

U₃ R1³

U₀ = -R2 K = R2/R1

Интегратор Дифференциатор

Фильтр нижних частот Фильтр верхних частот

+ +

U₁ U₀ U₀