all / Работа 10 (Некрасов) / Операционный усилитель

II.7.3. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока, выполненный в

виде единой интегральной микросхемы и предназначенный для реализации различ-

ных операций над аналоговыми величинами. Спецификой ОУ являются(рис. 2.58)

два входа (один из них инвертирующий - инвертирует фазу входного сигнала) и сим-

метричное напряжение питания. Классическая

структура

ОУ

включает

три

каскада

(рис. 2.59):

· СДУ – симметричный дифференциальный усилитель;

·

НДУ - несимметричный дифференциальный усилитель;

· ОК – каскад с ОК.

Идеальный ОУ должен характеризоваться следующими параметрами:

+Uп

К → ∞;

+Uп

Uвх1

Rвх → ∞;

w¥

Rвых ® 0.

Uвх1

Uвх2

Uвых

Uвх2

Uвых

Поэтому

первый

каскад

СДУ предназначен для соз-

-Uп

-Uп

дания

большого

входного

Рис. 2.58

сопротивления

Rвх

всего

+Un

усилителя. В настоящее время он

Uвх1

обычно

реализуется

на

полевых

СДУ

НДУ

ОК

транзисторах.

Uвх2

Uвых

Каскад НДУ имеет своей

-Un

целью

создание

большого

коэф-

фициента

усиления,

достигаю-

Рис. 2.59

щего

нескольких

сотен

тысяч

или единиц миллионов.

Каскад ОК реализует сдвиг постоянного уровня напряжения и обеспечивает

малое выходное сопротивление всей схемы.

Упрощенная схема ОУ представлена на рис. 2.60.

Поскольку ОУ является УПТ, то его АЧХ (рис. 2.61) качественно отличается

от АЧХ RC-усилителя (см. рис. 2.5): на ней отсутствует завал на низких частотах. Для

ОУ на АЧХ, кроме fв.гр, обычно выделяют еще частоту единичного усиления f1, на

которой К = 1.

СДУ

НДУ

ОК

+Uп

VT7

VT4 VT5

Инвертирую-

щий вход

VT2

VT1

Прямой вход

VT8

VT3

VT6

-Uп

К

Рис. 2.60

На

рис. 2.62

изображена

Ко

амплитудная

(передаточная) ха-

0.707 Ко

рактеристика

ОУ

дляпрямого

(неинвертирующего) входа в ре-

жиме постоянного тока. Обычно

fв.гр

f

±Uвых max на 1-2 В меньше напря-

Рис. 2.61

жения питания усилителя. Из

графика данной характеристики ясно, что максимальная амплитуда входного сигнала

для линейного режима работы усилителя, определяемая как

|Uвх max| = |Uвsх max|/K,

ограничивается милливольтами или даже микровольтами, что затрудняет использова-

ние ОУ при больших по значению усиливаемых сигналах.

Передаточная характеристика позволяет определить парафазный коэффици-

ент усиления ОУ как

K = DU вых .

DU вх

Оба приращения, естественно, фиксируются на линейном участке характеристики.

Uвых

Коэффициент

уси-

ления

ОУ

характеризуется

+Uвых max

нестабильностью,

обуслов-

ленной

колебаниями

- пи

DUвых

тающего

напряжения, тока

-Uвх max

нагрузки,

температуры

ок-

ружающей среды. По этим

+Uвх max

Uвх

DUвх

причинам ОУ, за исключе-

нием

компараторов,

не

-Uвых max

применяют

без

цепей

Рис. 2.62

внешней

ООС,

которые

стабилизируют

коэффици-

ент усиления и позволяют установить его любое требуемое значение. Различают два

варианта использования ООС применительно к ОУ.

Прямое включение.

Входное

напряжение в этом случае подается

на прямой

вход. Цепь обратной связи образована резисто-

iвх

рами R1 и R2 (рис. 2.63). Данная ООС является

Uу

Rвх

последовательной связью

по

напряжению. Для

неё коэффициент передачи цепи ОС определятся

Uвх

выражением

Uoc

R1

Uвых

b =

R2

.

(2.11)

R1 + R2

R2

Так как Rвх → ∞, то iвх → 0 и

Uвх = Uy + UR2 (Uос);

Рис. 2.63

Коэффициент

усиления

собственно

ОУ

(без ОС) теперь определяется как

U y

В свою очередь U ос

=

R2

U вых

= bU вых .

R2

+ R1

Поскольку для всей схемы K oc

=

U вых

, то

U вх

1

=

U oc

+U y

=

U

oc

+

U y

=

bU

вых

+

1

= b +

1

=

bК +1

.

U вых

К

К

К

K oc

U вых

U вых

U вых

Тогда K oc

=

K

.

1 + bK

K oc

@

1

=

R1 + R2

= 1 +

R1

,

b

R2

R2

ту передачи собственно ОУ(но

коэффициент Кос

принципиально не может

быть

меньше единицы).

Рассмотренная ООС, как уже указывалось в предыдущей лабораторной рабо-

те, также оказывает влияние на Rвх и Rвых. А именно (см. рис. 2.63).

Rвх =

U y

;

iвх

R

=

U y +U oc

U y

U

oc

= R

bU

вых

= R

bKU y

= R

+ bKR

= R

(1 + bK ).

вх.ос

=

+

вх

+

вх

+

вх

вх

iвх

iвх

iвх

iвх

iвх

вх

Аналогично можно доказать, что для данной ООС

Rвых.ос =

Rвых

.

i2

1

+ bК

i1

На

рис. 2.64 пред-

ставлено

инвертирующее

Uвх

R2

включение

ОУ

с ООС, т.е.

Uу

R1

входной сигнал

подается

на

Uвых

инвертирующий

вход.

По-

Рис. 2.64

скольку здесь также Rвх→ ∞,

то i1 = i2, Uy » 0 (Uy = Uвых/К)

и i1 = Uвх/R1, а i2 = Uвых/R2. Тогда

K oc = U вых

= R2 .

U вх

R1

Из данного выражения следует, что коэффициент передачи рассматриваемой

схемы также определяется только номиналами резисторов ОС. При этом Кос может

быть как больше единицы, так и меньше, т.е. данная схема может ослаблять входной

сигнал.

В литературе можно встретить запись вида Кос= - R2 / R1. Таким образом ука-

зывают на инверсию входного сигнала в данной схеме.

Как следует из рис. 2.64, для инверсного включения

Rвх » R1,

а выходное сопротивление всей схемы определяется выражением

Rвых.ос =

Rвых

.

КR1

1 +

R1

+ R2

Кроме перечисленных ранее, к основным

Uвых

параметрам ОУ относится:

·

коэффициент

ослабления

синфазного

сигнала

(КОСС). Чем больше КОСС,

тем выше качество

Uвх

ОУ (см. п. II.7.2);

Uвх см

·

входное напряжение смещения Uвх см (рис. 2.65)

Рис. 2.65

определяет постоянное входное напряжение, ко-

торое следует подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным ну-

лю.