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
Vвых – напряжение на выходе ОУ.
2. Коэффициент К – постоянен и не зависит от частоты входного сигнала.
3. Существуют ограничения уровня выходного напряжения ±Vнасыщения. Практически можно считать, что
+ Vнасыщения= + Vпитания – 2В;
– Vнасыщения= – Vпитания + 2В;
Например, при напряжении питания ±12В:
+ Vнасыщения= + 10В;
Vнасыщения= – 10В.
Пример. Если К =100 000, Vпитания = ±12, то + Vнасыщения= + 10В; – Vнасыщения= – 10В, аСхемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей
Рис.2Дифференциальные 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 Евх= 0,05 В.; напряжение питания Vпитания = ±12 В.; Rн=5 кОм. Rвх=5 кОм
Определить: Iвх, Vвых, Rос, Iвых.
Упражнение1.2
Рассчитать схему не инвертирующего усилителя, если:максимальный входной сигнал Евх= 1 В.; напряжение питания Vпитания = ±9 В.; Rн=3 кОм. R1=3 кОм.
Определить: Iвх, Vвых, Rос, Iвых.
Упражнение1.3
В схеме инвертирующего усилителя Rос=100 кОм
Найти оптимальную величину компенсирующего сопротивления R для случаев, когда Rвх равно а) 10 кОм, б) 100 кОм.,
Упражнение 1.4
ОУимеет следующие параметры, характеризующие дрейф
При изменении температуры от 20 до 70 ˚С ток Iвх сдв изменяется не более чем на 0,1нА/˚С, а напряжение Vвх сдв не более чем на 5 мкВ/˚С.
Предположим, Vвых 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 Евх= 0,05 В.; напряжение питания Vпитания = ±12 В.
В схеме инвертирующего усилителя Rос 2 мОм; Rвх1 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
Rос = 1мОм.; Rвх= 1кОм
Определить полосу пропускания .
Упражнение1.5.2
На какой максимальной частоте fmax 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 (Koc= 5) при Евх=2 В и сопротивлении нагрузки Rн=5 кОМ., R1=5 кОМ Определить: Iвх, Vвых, Rос, Iвых.
. Упражнение Б
Рассчитать схему неинвертирующего усилителя, так чтобы его коэффициент усиления был равен 10 (Koc= 10) при Евх=1 В и сопротивлении нагрузки Rн=5 кОМ. R1=5 кОм
Определить: Iвх, Vвых, Rос, Iвых.
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.