Прецизионные операционные усилители

В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Прецизионные усилители, используемые для этих целей, должны обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 10⁵) и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и его дрейфом, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Для построения такого усилителя, называемого иногда инструментальным и способного с большой точностью фиксировать эти параметры, обычно используются два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными, хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами отрицательной обратной связи, от которых в значительной мере зависит погрешность усиления.

Приемлемую схему инструментального усилителя можно получить, если на входе универсального ОУ использовать специальный прецизионный усилитель с небольшим коэффициентом усиления напряжения, но с высоким входным сопротивлением и малым дрейфом напряжения смещения. Такой входной каскад обеспечит точный прием и неискаженную передачу информации для дальнейшей обработки на универсальный ОУ, который, в свою очередь, обеспечит требуемый коэффициент усиления (более 10⁵).

В настоящее время по этому принципу разработано несколько ОУ. Прецизионный усилитель КМ551УД1 имеет малое напряжение смещения нуля (менее 0,5 мВ), малые уровни дрейфа нуля и шумов и К > 10⁶. Но основным достоинством этого ОУ является то, что он позволяет поддерживать с высокой точностью большое значение коэффициента усиления операционного усилителя, замкнутого отрицательной обратной связью. Таким образом можно получить К= (1000 ± 0,3) %.

Характеристики данного усилителя обеспечиваются входным каскадом, который построен по простой дифференциальной схеме с резисторными нагрузками (рис. 6.10, а).

Для уменьшения дрейфов входные транзисторы VТ1 и VТ2 представляют как параллельные соединения двух транзисторов (рис. 6.10, б).

Амплитудно-частотная характеристика ОУ корректируется двумя цепями частотной коррекции (рис. 6.10, в).

Мощные операционные усилители

Операционный усилитель К157УД1 представляет собой мощный усилитель с выходным током до 0,5 А, построенный по классической двухкаскадной схеме на основе полупроводниковой технологии с изоляцией p — n -перехода (рис. 6.11, а). Кристалл ОУ помещается в прямоугольный пластмассовый корпус, позволяющий рассеивать значительную мощность. Характеристики этого ОУ приведены на рис. 6.11, б.

Рис. 6.11. Схема включения (а) и частотные характеристики (б) мощного ОУ типа К157УД1

Операционные усилители в моделировании математических операций

С помощью ОУ можно моделировать различные математические преобразования. На базе этих элементов строятся аналоговые вычислительные машины.

На рис. 6.12, а представлена схема инвертирующего усилителя.

Для расчета элементов этого усилителя воспользуемся двумя положениями:

напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны, т.е. U₊ = U_- ;

входной ток усилителя равен нулю по любому из входов, т.е. 1₁ = 1₂=0.

В данной схеме U₊ = 0, а значит, и U_- = 0. Следовательно, входной ток 1_вх= U/R₁. Ток 1₂ протекающий через резистор R₂, равен U/R₂ .Так как ток I_вх = 1₂, то U_вх/R₁= U_вых/R₂ и коэффициент передачи

К =U_вых/ U_вх = R₂/R _1.

На рис. 6.12, б показана схема инвертирующего сумматора, выходной сигнал которого описывается выражением

U = - (U₁R / R₁ + U₂R /R₂ + U₃R /R₃ +.....+ U_nR /R_n)

Схема инвертора с регулируемым усилением изображена на рис. 6.12, в. Его выходной сигнал

U_вых= - KU /( 1- K)

Рис. 6.12. ОУ для моделирования математических операций:

а — инвертирующий усилитель; б — инвертирующий сумматор; в — генератор с регулируемым усилением; г — инвертор-усилитель с линейной зависимостью; д — повторитель; е — каскад вычитания; ж — усилительное вычитающее устройство; з - аналоговый интегратор и его частотная характеристика; и — идеальный дифференциатор и его частотная характеристика; к — логарифмический усилитель

Схема инвертора-усилителя с линейной зависимостью усиления от положения движка показана на рис. 6.12, г. Его передаточное уравнение имеет вид

где к — часть переменного сопротивления R₂.

В схеме повторителя, показанной на рис. 9.18, д, U_вых = U_вх.

В каскаде вычитания двух входных сигналов, показанном на рис. 6.12, е, выполняется следующее равенство: I_вх = I_вых. Тогда (U₁ – U₊)/R₁ =(U_вых – U₊)/R₁ и U₁- U₊ = U_вых + U₊ .

Учитывая, что U_- = U₂ / 2 = U₊, получим

или

Тогда выражение для выходного напряжения можно записать в виде

Схема усилительного вычитающего устройства показана на рис. 6.12, ж. Его передаточная функция описывается вы

Схема аналогового интегратора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, з. Передаточная функция аналогового интегратора описывается выражением

Схема идеального дифференциатора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, и. В этом каскаде для высоких частот коэффициент усиления принимает максимально возможное значение.

Схема логарифмического усилителя показана на рис. 6.12, к. Для этого каскада можно составить следующее уравнение:

где S— коэффициент пропорциональности.

Передаточная функция этого усилителя описывается выражением

где А — коэффициент передачи.

Во всех схемах с ОУ на свободный от функций входной вывод подключается резистор R₀, номинал которого определяется суммарным сопротивлением по другому входу.