Операционные усилители ОУ

Аналитические методы в биофизике

Часть2

« Элементная база (системотехника ) измерительных приборов»

1. Операционные усилители (ОУ)

Электронный усилитель - это устройство, повышающее напряжение, ток и мощность электрического сигнала за счет управ­ления током мощного источника питания., Особое место среди них занимают операционные усилители (ОУ), которые в настоящее время являются универсальными базовыми элементами для построения электронных усилителей и других аналоговых и цифро-аналоговых узлов электронной аппаратуры.

Понятие об идеальном ОУ

  Рис.1.а Выводы ОУ.

ЕД =ΔЕ= Е1 – Е2

V_вых – напряжение на выходе ОУ.

2. Коэффициент К – постоянен и не зависит от частоты входного сигнала.

3. Существуют ограничения уровня выходного напряжения ±V_{насыщения}. Практически можно считать, что

+ V_{насыщения}= + V_{питания} – 2В;

– V_{насыщения}= – V_{питания} + 2В;

Например, при напряжении питания ±12В:

+ V_{насыщения}= + 10В;

Vнасыщения= – 10В.

Пример. Если К =100 000, Vпитания = ±12, то + Vнасыщения= + 10В; – Vнасыщения= – 10В, а

Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Рис.2  

Дифференциальные усилители

Функциональная схема дифференциального усилителя показана на рис. .3. Вход схемы дифференциального усилителя должен быть по возможности… В схемах дифференциального усилителя, как правило используется прецизионные резисторы с допуском по номиналу не хуже 1…

На практике равенства этих отношений добиваются установкой последовательно с одним из резисторов потенциометра. Этот потенциометр настраивают так, чтобы при закороченном входе (точки 1 и2) Vвых стало равно «0». При этом коэффициент усиления синфазного Vвых / Есинф приближается к «0». Именно это свойство позволяет выделить слабый сигнал из сильной помехи.

 

 

Смещение, сдвиги , дрейф и АЧХ операционных усилителей

В отличии от идеального ОУ существует ряд параметров, которые вносят вклад в ошибку в выходное напряжение ОУ.

Обычно ток смещения входа (-) Iсм- не равен току смещения (+) Iсм+. В паспорте на ОУ производителем часто приводится средний входной ток смещения… (2.1)

Vвх сдв усиливается точно также, как любой сигнал, приложенный к входу (+) неинвертирующего усилителя

  Резистор компенсации по току и напряжению сдвига , его сопротивление равно…  

Дрейф Температурные изменения тока и напряжения сдвига выражают понятие дрейф. Дрейф тока сдвига дается обычно в спецификациях в наноамперах на градус Цельсия (нА/˚С), а для напряжения сдвига – в микровольтах на градус Цельсия(мкВ/˚С).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ )показывает во сколько раз амплитуда сигнала на выходе системы отличается от амплитуды входного сигнала на всём диапазоне частот.

 

 

 

На графике АЧХ по оси абсцисс откладывается частота, а по оси ординат отношение амплитуд выходного и входного сигналов системы. Обычно для частоты используется логарифмический масштаб, так как исследуемый диапазон частот может изменяться в достаточно широких пределах (от единиц до миллионов Гц или рад/с). В случае когда логарифмический масштаб используется и на оси ординат, АЧХ превращается в логарифмическую амплитудно-частотную характеристику.

Полоса единичного усиления

  Время нарастания переходного процесса определяется как время, необходимое для… Полоса пропускания единичного усиления В и время нарастания tн связаны следующей зависимостью:

Упражнение1.1

Рассчитать схему инвертирующего усилителя, если: максимальный входной сигнал Е_вх= 0,05 В.; напряжение питания V_{питания} = ±12 В.; R_н=5 кОм. R_вх=5 кОм

Определить: I_вх, V_вых, R_ос, I_вых.

Упражнение1.2

Рассчитать схему не инвертирующего усилителя, если:максимальный входной сигнал Е_вх= 1 В.; напряжение питания V_{питания} = ±9 В.; R_н=3 кОм. R₁=3 кОм.

Определить: I_вх, V_вых, R_ос, I_вых.

Упражнение1.3

В схеме инвертирующего усилителя R_ос=100 кОм

Найти оптимальную величину компенсирующего сопротивления R для случаев, когда R_вх равно а) 10 кОм, б) 100 кОм.,

 

Упражнение 1.4

 

ОУимеет следующие параметры, характеризующие дрейф

 

При изменении температуры от 20 до 70 ˚С ток I_{вх сдв} изменяется не более чем на 0,1нА/˚С, а напряжение V_{вх сдв} не более чем на 5 мкВ/˚С.

Предположим, V_вых было настроено на нуль при t =20 ˚С. Определить максимальную ошибку, вносимую в выходное напряжение схемы инвертирующего усилителя дрейфом при изменении температуры до 70 ˚С., если:максимальный входной сигнал Е_вх= 0,05 В.; напряжение питания V_{питания} = ±12 В.

 

В схеме инвертирующего усилителя R_ос 2 мОм; R_вх1 кОм

 

Упражнение1.5.1

 

Определить коэффициент усиления инвертирующего усилителя, на частотах f₁ = 100 Гц, f₂ = 1000 Гц, f₃ 10 000 Гц.

Если коэффициент единичного усиления B = 10⁶ Гц

R_ос = 1мОм.; R_вх= 1кОм

Определить полосу пропускания .

Упражнение1.5.2

На какой максимальной частоте f_max можно получить неискаженное выходное напряжение с амплитудой а) 10 В ; б) 1 В ;

Если, скорость нарастания выходного напряжения будет: = 10 В/мкс.

R₁=3 кОм.

 

Упражнение А

Рассчитать схему неинвертирующего усилителя, так чтобы его коэффициент усиления был равен 5 (K_oc= 5) при Е_вх=2 В и сопротивлении нагрузки R_н=5 кОМ., R₁=5 кОМ Определить: I_вх, V_вых, R_ос, I_вых.

 

. Упражнение Б

Рассчитать схему неинвертирующего усилителя, так чтобы его коэффициент усиления был равен 10 (K_oc= 10) при Е_вх=1 В и сопротивлении нагрузки R_н=5 кОМ. R₁=5 кОм

Определить: I_вх, V_вых, R_ос, I_вых.

 

 

Литература

1 Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных интегральных схем. М. Мир, 1985 г.

 

2 Алипов А.Н., Муравник Л.М, Ронжина Н. Л., Сафьянников Н.М

Технические средства медицинских лабораторных фотометрических исследований. Учебное пособие. Часть1.. СПГУТ 2005г.

 

3 А.Н. Алипов, Л.М. Муравник, Н.Л. Ронжина, Н.М. Сафьянников

Медицинские лабораторные фотометрические приборы и комплексы. Издательство РЕНОМЕ СПб 2010 г.

4 Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры
БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2009

5 Пасынков В. В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы СПб., М., Краснодар Лань, 2003 г

.

6 Ишанин Г. Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщаков Г. В. Источники и приемники излучения. СПб. Политехника 1991 г.