Микросхемы операционных усилителей и их применение

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Москва 2008

В.В. Масленников

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Московский инженерно-физический институт

(государственный университет)

В.В. Масленников

Микросхемы операционных

усилителей и их применение

Москва 2008

УДК 621.382(075)

ББК 32.85я7

М31

Масленников В.В. Сборник задач по курсу "Общая электротехника и электроника". М.:МИФИ,2008 - с.

В пособии сообщаются основные сведения по устройству и изготовлению микросхем операционных усилителей (ОУ), характеристики и параметры ОУ, вопросы их применения для обработки аналоговых сигналов, расчета цепей на основе ОУ и погрешностей, возникающих при их использовании.

Пособие предназначено для студентов 6-го семестра факультета "Теоретической и экспериментальной физики" и Высшего физического колледжа, изучающих курс "Общая электротехника и электроника", а также студентов 5-го семестра факультета "Ф", изучающих курс "Электротехника и электроника".

Пособие может быть полезно всем студентам и аспирантам, желающим пополнить свои знания в области аналоговой схемотехники.

Рецензент доктор технических наук,

Профессор Волков Ю.А.

Рекомендовано редсоветом МИФИ

в качестве учебного пособия

ISB N978-5-7262-0747-6

(С) В.В. Масленников, 2008

(С) Московский инженерно-физический институт

(государственный университет), 2008

Введение

Элементной базой современной электроники являются микросхемы: аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для обработки аналоговых сигналов сигналов, непрерывно изменяющихся во времени.

Надо отметить, что все физические величины, изменяющиеся во времени, являются либо непрерывными, либо дискретными. Например, температура воздуха во времени изменяется непрерывно, а небольшое количество α-частиц, проходящих через измерительную часть чувствительного прибора, может быть подсчитано поштучно, т.е. поток α-частиц, является дискретной величиной.

Физические величины, причиной которых является очень большое количество отдельных мелких событий, непрерывно изменяются во времени. Например, человек чувствует температуру окружающей среды по тому огромному количеству молекул воздуха, которые сталкиваются с его телом. Электрический ток в металле представляет собой дрейф большого числа хаотически движущихся электронов в сторону положительного полюса приложенного электрического поля. Как показывает практика, абсолютное большинство физических величин, являются непрерывно изменяющимися во времени, т.е. аналоговыми. Например, кроме названной выше температуры, такими величинами являются: давление, скорость, ускорение, вес, световой поток, освещенность и т.д.

В настоящее время абсолютное большинство физических величин измеряются с помощью электрических сигналов. С этой целью используются датчики или первичные преобразователи, преобразующие физические величины в электрические сигналы. Поскольку большинство физических величин аналоговые, то и электрические сигналы на выходе первичных преобразователей чаще всего аналоговые.

Аналоговые электрические сигналы можно усиливать, складывать, вычитать, умножать, делить, интегрировать и дифференцировать по времени, логарифмировать, возводить в степень и т.д., т.е. проводить все известные математические операции. С этой целью применяются аналоговые микросхемы, среди которых чаще всего используют микросхемы операционных усилителей, названных так потому, что они были предназначены для выполнения перечисленных выше операций над аналоговыми сигналами.

Операционные усилители (ОУ) были созданы еще в пору ламповой электроники (первый - в 1942 разработан в США А. Джули) и представляли собой достаточно массивные, весом от одного до нескольких килограмм, устройства с объемом в несколько кубических дециметров (n 10^-3 м³), потребляющих значительную электрическую энергию (мощность примерно n 10² ватт). На их основе изготовлялись аналоговые вычислительные машины, позволяющие моделировать различные физические процессы и решать математические задачи.

В настоящее время благодаря возникновению и развитию микроэлектроники моделирование и решение математических задач производится с помощью калькуляторов и компьютеров, работающих с цифровыми кодами, и выполненных на цифровых микросхемах. Информацию, содержащуюся в аналоговых электрических сигналах, поступающих от первичных преобразователей, также можно представить в цифровой форме и обрабатывать с помощью компьютеров. С этой целью используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие аналоговые входные сигналы в цифровые сигналы, выраженные в двоичном коде. Однако приходящие от датчиков аналоговые электрические сигналы перед поступлением на входы АЦП чаще всего требуется усилить, преобразовать, отфильтровать от шумов, т.е. сделать доступными для аналого-цифровых преобразований. Эти функции по предварительной обработке аналоговых сигналов можно осуществить с помощью электронных устройств, выполненных на основе микросхем операционных усилителей.

Современные микросхемы ОУ представляют собой легкие (весом не более нескольких грамм) приборы с объемом не более одного кубического сантиметра (<10^-6м³), потребляющие малую электрическую энергию (мощность от n 10^-1 до10^-5 ватт). На таких микросхемах можно изготовлять достаточно сложные, но компактные электронные устройства.

Как устроены и изготовляются микросхемы ОУ, какими параметрами они характеризуются, как с их помощью можно выполнять операции над аналоговыми сигналами, каким образом можно рассчитывать электронные цепи на их основе, какие погрешности возникают при их использовании – вот те вопросы, которые будут рассмотрены в данном учебном пособии.