16. Реальные параметры и идеализированные свойства оу. Эквивалентная схема оу по постоянному току. Основные операционные схемы (ос): инвертирующая, неинвертирующая и дифференциальная.
Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.
Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:
напряжение смещения нуля
;
температурная чувствительность
напряжения смещения нуля
;
ток смещения
;
средний входной ток
.
Входные
и выходные цепи ОУ представляются
входным
и выходным
сопротивлениями, приводимыми для ОУ
без цепей ООС. Для выходной цепи даются
также такие параметры, как максимальный
выходной ток
и минимальное сопротивление нагрузки
,
а иногда и максимальная емкость нагрузки.
Входная цепь ОУ может включать емкость
между входами и общей шиной. Упрощенные
эквивалентные схемы входной и выходной
цепи ОУ представлены на рисунке 6.4.
Среди
параметров ОУ следует отметить КОСС и
коэффициент ослабления влияния
нестабильности источника питания
КОВНП=
.
Оба этих параметра в современных ОУ
имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.
К
энергетическим параметрам ОУ относятся
напряжение источников питания Е,
ток потребления (покоя)
и потребляемая мощность. Как правило,
составляет
десятые доли - десятки миллиампер, а
потребляемая мощность, однозначно
определяемая
,
единицы - десятки милливатт.
К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:
максимально возможное (неискаженное)
выходное напряжение сигнала
(обычно
чуть меньше Е);
максимально допустимая мощность рассеивания;
рабочий диапазон температур;
максимальное напряжение питания;
максимальное входное дифференциальное напряжение и др.
К
частотным параметрам относится абсолютная
граничная частота или частота единичного
усиления
(
),
т.е. частота, на которой
.
Иногда используется понятие скорости
нарастания и времени установления
выходного напряжения, определяемые по
реакции ОУ на воздействие скачка
напряжения на его входе. Для некоторых
ОУ приводятся также дополнительные
параметры, отражающие специфическую
область их применения.
Амплитудные
(передаточные) характеристики ОУ
представлены на рисунке 6.5 в виде двух
зависимостей
для инвертирующего и неинвертирующего
входов.
Когда
на обоих входах ОУ
,
то на выходе будет присутствовать
напряжение ошибки
,
определяемое точностными параметрами
ОУ (на рисунке 6.5
не показано ввиду его малости).
Частотные
свойства ОУ представляются его АЧХ,
выполненной в логарифмическом масштабе,
.
Такая АЧХ называется логарифмической
(ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке
6.6 (для ОУ К140УД10).
Частотную зависимость можно представить в виде:
.
Здесь
постоянная времени ОУ, которая при
определяет частоту сопряжения (среза)
ОУ (см. рисунок 6.6);
.
Заменив
в выражении для
на
,
получим запись ЛАЧХ:
.
На
НЧ и СЧ
,
т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую,
параллельную оси частот. С некоторым
приближением можем считать, что в области
ВЧ спад
происходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ
на октаву). Тогда при >>
можно упростить выражение для ЛАЧХ:
.
Таким образом, ЛАЧХ в области ВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ, соответствует частоте сопряжения ( ). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте составляет порядка 3дБ (см. рисунок 6.6), однако для удобства анализа с этим мирятся, и такие графики принято называть диаграммами Боде.
Следует заметить, что скорость спада ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скорректированных ОУ с внешней или внутренней коррекцией, основные принципы которой будут рассмотрены ниже.
Для
скорректированного ОУ можно рассчитать
на любой частоте f
как
,
а
.
На рисунке 6.6 представлена также логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ), представляющая собой зависимость фазового сдвига выходного сигнала относительно входного от частоты. Реальная ЛФЧХ отличается от представленной не более чем на 6. Отметим, что и для реального ОУ =45 на частоте , а на частоте - 90. Таким образом, собственный фазовый сдвиг рабочего сигнала в скорректированном ОУ в области ВЧ может достигнуть 90.
Рассмотренные выше параметры и характеристики ОУ описывают его при отсутствии цепей ООС. Однако, как отмечалось, ОУ практически всегда используется с цепями ООС, которые существенно влияют на все его показатели.
Идеальный
ОУ имеет бесконечно большой коэффициент
усиления по напряжению (
),
бесконечно большое входное сопротивление,
бесконечно малое выходное сопротивление,
бесконечно большой КОСС и бесконечно
широкую полосу рабочих частот.
На рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ - упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).
Упрощенная электрическая схема простого ОУ, реализующая структурную схему рисунка 6.2, показана на рисунке 6.3.
Основные параметры и характеристики ОУ
Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.
Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:
напряжение смещения нуля ;
температурная чувствительность напряжения смещения нуля ;
ток смещения ;
средний входной ток .
Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП= . Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.
К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания Е, ток потребления (покоя) и потребляемая мощность. Как правило, составляет десятые доли - десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая , единицы - десятки милливатт.
К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:
максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала (обычно чуть меньше Е);
максимально допустимая мощность рассеивания;
рабочий диапазон температур;
максимальное напряжение питания;
максимальное входное дифференциальное напряжение и др.
Инвертирующий усилитель
Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.
Резистор
представляет собой внутреннее
сопротивление источника сигнала
,
посредством
ОУ охвачен ||ООСН.
При
идеальном ОУ разность напряжений на
входных зажимах стремиться к нулю, а
поскольку неинвертирующий вход соединен
с общей шиной через резистор
,
то потенциал в точке а
тоже должен быть нулевым ("виртуальный
нуль", "кажущаяся земля"). В
результате можем записать:
,
т.е.
.
Отсюда получаем:
,
т.е. при идеальном ОУ определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.
Для
реального ОУ необходимо учитывать его
входной ток
,
т.е.
или
,
где
- напряжение сигнала на инвертирующем
входе ОУ, т.е. в точке а.
Неинвертирующий усилитель
Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.
Нетрудно
показать, что в неинвертирующем усилителе
ОУ охвачен ПООСН. Поскольку
и
подаются на разные входы, то для идеального
ОУ можно записать:
,
откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:
,
или
.
Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.
Входное
сопротивление неинвертирующего усилителя
велико
и определяется глубокой последовательной
ООС и высоким значением
:
.
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:
.
На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.
Разностный
усилитель на ОУ можно рассматривать
как совокупность инвертирующего и
неинвертирующего вариантов усилителя.
Для
разностного усилителя можно записать:
.
Как
правило,
и
,
следовательно,
.
Раскрыв значения коэффициентов усиления,
получим:
,
Для
частного случая при
получим:
.
Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.
17. Оценка точности ОС и реализация их на основе преобразователя тока в напряжение (ПТН), трансформатора сопротивлений, сумматора, интегратора, дифференциатора, логарифматора и антилогарифматора сигналов, изолированных от общей шины преобразователя напряжения (ПН) (вольтметра) и ПТН (амперметра).
Преобразователь ток-напряжение
Входное напряжение в этой схеме Uвх= - Uвых/k ус=I . R/k ус , а выходное Uвых= - I.R - пропорционально входному току. Входное сопротивление Rвх - очень мало т.к. Rвх=R /k ус и не влияет на схему, в которой проводится измерение тока. Отметим также, что напряжение на выходе практические не зависит от нагрузки.
Интегратор
а.
б.
Схема интегратора, показанная выше (слева), одновременно является активным фильтром нижних частот (ФНЧ). Справа приведена интегрирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФНЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ). При подаче на вход импульса прямоугольной формы (рисунок справа) на выходе мы увидим импульс с передним и задним фронтами, "затянутые" по экспоненциальному закону:
Приближенно, при временах, меньших RC, на выходе получим проинтегрированный входной сигнал:
При синусоидальном сигнале его форма не меняется, при этом амплитуда уменьшается при частотах порядка 1/RC:
Дифференциатор
а.
б.
Поменяв конденсатор и резистор местами, мы получим схему дифференциатора, показанную выше (слева). В тоже время это активный фильтр верхних частот (ФВЧ). Справа приведена дифференцирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФВЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ) с подъемом в области высоких частот. На этот же рисунке мы можем видеть искажение прямоугольного сигнала. Дифференцирование данная схема осуществляет в соответствии с формулой:
Логарифматор
Чтобы создать логарифматор, включим в цепь обратной связи диод (или транзистор), как показана на рисунке а (слева).
а)
б)
Известно,
что ВАХ
диода носит экспоненциальный
характер. Выразим из этой формулы
напряжение, отбросив за малостью единицу.
Ток
I обусловлен сопротивлением и
напряжением на инвертирующем входе.
Как мы видим, к сожалению, напряжение V
зависит от температуры, поэтому необходимо
применять меры для температурной
стабилизации схемы. Учитывая, что входное
напряжение на логифматоре может меняться
на много порядков при незначительном
изменении выходного напряжения, такие
схемы могут применяться не только для
собственно логарифмирования, но и для
компрессии сигналов
На рисунке б
(справа) можно видеть схему реализующую
обратную функцию - антилогарифм
(экспоненту). Здесь диод включен во
входную цепь, а резистор - в выходную.
Имея в наличии блоки для логарифмирования
и экспоненциального преобразования
сигналов, мы можем сделать перемножить
аналоговых сигналов.