В.С.Несмелов
Аналоговые устройства ЭС на операционных усилителях
Литература Основная
1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (учебник), 768 стр., изд-во «Горячая линия-Телеком», М., 2000
Дополнительная
2. Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (учебное пособие), 155 стр., изд-во Марийского ГТУ, Йошкар-Ола, 2000
Содержание
1. Операционные усилители
2. Импульсные усилители
3 Избирательные усилители
4. Электрические фильтры
5. Активные фильтры (до 24 стр.)
6. Основы теории обратной связи.
6 Построение схемы не инвертирующего усилителя
7. Построение схемы активного фильтра низких частот (ФНЧ)
8. Построение схемы активного фильтра высоких частот (ФВЧ)
9. Построение схемы активного полосового фильтра (ПФ)
Раздел 1. Операционные усилители.
Вопрос 1.1. Основные свойства.
Операционным усилителем (ОУ) называют аналоговую микросхему, реализующую высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (106...107), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. В качестве входного каскада микросхемы ОУ используется дифференциальный усилитель, а выходным каскадом является эмитерный повторитель. Условное графическое обозначение ОУ на рис.1.1.
По
отношению к выходу один из входов ОУ
является неинвертирующим
UH,
а другой —
инвертирующим
UИ
;
последний
обозначается знаком инверсии
(кружок на
вводе ОУ). Питание ОУ осуществляется от
двух одинаковых разнополярных источников
+Un
и —
Un
(на графических
обозначениях источники питания
обычно не показывают, для конкретного
ОУ они однозначно определены изначально).
Рис. 1.1. Операционный усилитель:
а – условное изображение; б – передаточные характеристики
При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Таким образом, базовая схема ОУ усиливает и постоянный ток, действующий на входных контактах. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности U0=Uв-Uи.
Коэффициент усиления по напряжению K0 собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:
Ко =Uвых /Uо (1.1)
Передаточные характеристики (см. рис.1.1б) имеют важное значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на не инвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении не инвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению K0. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому макс. выходное напряжение
(1.2)
В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления K0= ∞ и входное сопротивление Rвх0= ∞ и нулевое выходное сопротивление Rвых0= 0.
Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:
1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю
(1.3)
2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала
(1.4.)
Изложенное выше понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания eго инвертирующего и не инвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем, в отличие от физического замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другими словами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.
В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения — инвертирующую и не инвертирующую. Практически любое схемотехническое решение с применением ОУ основывается на этих включениях.