Структура и основные параметры интегральных операционных
усилителей.
Операционными усилителями (ОУ) называют широкий класс усилителей с гальваническими связями, работающий при наличии любой отрицательной обратной связи.
Эта обратная связь настолько велика, что параметры и характеристики устройства на ОУ полностью определяются элементами цеп
и ООС.
Реализовать ОУ на дискретных элементах – задача трудная. Поэтому широкое распространение получили лишь интегральные ОУ. Структурная схема ОУ состоит из 2х входов, каскадов усиления, каскада сдвига уровня напряжений, выходного каскада.
| Первый каскад усиления |
| Второй каскад усиления |
| Каскад сдвига уровня напряжений |
| Выходной каскад |
| Вход 1 |
| Вход 2 |
Рис. 1.
Каскады усиления служат для обеспечения заданного коэффициента усиления. Коэффициент усиления может составлять десятки тысяч.
Каскад сдвига уровня напряжения предназначен для исключения постоянной составляющей напряжения. Благодаря этому каскаду на выходе ОУ устанавливается нулевое напряжение при отсутствии входных сигналов.
Выходной каскад служит для получения малого выходного сопротивления ОУ в целях лучшего согласования с нагрузкой. Он чаще выполняется по двухтактной схеме.
Питание ОУ осуществляется от разнополярных источников, благодаря чему облегчается задача компенсации нуля на выходе усилителя. Шумовые свойства обеспечиваются, уменьшением площадьи контакта p-n переходов, применением полевых транзисторов.
По отношению к выходу один из входов является инвертирующим, другой- неинвертирующим. Наличие двух входов облегчает введение различных ОС и с их помощью реализацию различных функций.
Параметры и характеристики ОУ.
Условное обозначение микросхемы, например К140УД1Б
К-указатель широкого применения;
1-конструктивно-технологическое исполнение;
40- порядковый номер разработанной серии;
УД- функциональное назначение;
1- поряднковый номер разработки по функциональным признакам;
Б- отличие по параметрам внутри одного функционального варианта;
Наиболее употребляемые параметры.
1).Коэффициент усиления напряжения Куи, или коэффициент усиления диф. сигнала;
2). Коэффициент усиления синфазных входных напряжений Ку. ср.;
3). Коэффициент ослабления синфазных входных сигналов Кос. сор.;
4). Напряжение смещения Uсм – значение напряжения на входе ОУ, при котором вых. напряжение равно нулю;
5). Входные токи и их разность , определяемые в заданном режиме (обычно при );
6). .
Кроме статических параметров, ОУ характеризуется и динамическими параметрами.
1). Верхняя граничная частота полосы пропускания , на которой коэффициент усиления уменьшается в раз по сравнению с его величиной на .
2). Время , время в течении которого выходное напряжение усилителя изменяется от 0,1 до 0,9 значения в установившемся режиме ( на входе действует ступенчатое напряжение).
Основные параметры К140УД1Б:
;
-частота единичного усиления;
Схемотехника операционных усилителей.
Рис. 2.
Высокая точность выполнения функции устройством на ОУ определяется высоким входным сопротивлением, большим коэффициентом усиления, малым уровнем шумов, высокой степенью подавления синфазного сигнала, широкой полосой пропускания.
Повышение входного сопротивления достигается уменьшением входных токов, до единиц микроамперов. Для повышения коэффициента усиления применяют каскадные схемы и составные транзисторы.
При этом удается уменьшить входной ток ОУ до 1…2 мА.
Рис. 3.
ДУ выполнен на биполярных тр-ах . ГСТ на тр-ах выполнен по схеме отражателя тока. При
Токи
Для уменьшения потенциалов коллекторов в их цепи включен транзистор .
Коэффициент усиления такого каскада составляет
Для увеличения усиления и создания несимметричного выхода в данную схему вводят два дополнительных инвертирующих усилителя.
Дополнительные инвертирующие усилители выполнены на тр-ах с нагрузками
Напряжение снимаемое с коллектора , инвертируется первым усилителем и через подается на базу в фазе с напряжением, снимаемым с коллектора .
Рис. 4.
Так как через резистор протекают токи трех транзисторов, то его сопротивление невелико, что снижает общий коэффициент усиления. На практике для устранения указанного недостатка включают в коллекторною цепь ,а резисторы подключаются к выходу эмиттерного повторителя на тр-ре .
Рис. 5.
В качестве каскада сдвига уровня часто применяют эмиттерный повторитель с ГСТ в цепи эмиттера.
Рис. 6.
Стабильный ток , проходя через сопротивление , создает на нем напряжение сдвига т.е. для получения необходимо выполнить условие .
Так как выходное сопротивление данного каскада, определяемое , достаточно велико, то очень часто к выходу каскада сдвига подключают эмиттерный повторитель, т.е. выходной каскад.
Выходной каскад не должен снижать усиления и в связи с этим должен обладать высоким входным сопротивлением.
Для уменьшения потребляемой и рассеиваемой мощности в большинстве ОУ применяются 2х тактные каскады, работающие в режиме В.
Рис. 7.
С фазоинверсным каскадом. В последнее время широко применяют выходные каскады в интегральном исполнении, построенные на разношипных транзисторах.
Рис.
Характерной особенностью такой схемы является отсутствие фазоинверсного каскада.
При разнесении потенциалов без транзисторов с помощью в диодном включении схема работает в режиме АВ или А. В этом случае на базы подается напряжение смещения , которые выделяются на за счет протекания тока .
Применение интегральных операционных усилителя.
В зависимости от подачи на вход ОУ сигнала, а также подключения внешних компонентов можно получить инвертирующие, неинвертирующие и дифференциальное включение усилителя.
При расчете схем на основе ОУ, охваченных цепью ОС, будем считать, что удовлетворяется два основных условия: бесконечно большие коэффициент усиления и входное сопротивление. Ввиду потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов оказываются одинаковыми. Бесконечно большое входное сопротивление ОУ позволяет пренебречь его входными токами.
Схема инвертирующего усилителя на основе ОУ имеет вид (рис.3.1)
Рис. 3.1.
Считая, что получим .
По закону Ома запишем
Между напряжением существует зависимость .
Учитывая, что
Найдем связь между
При .
В схеме данного усилителя производится умножение напряжения входного сигнала на постоянный коэффициент .
Так как потенциал точки инвертирующего входа равен 0, то входное сопротивление .
В схеме умножения, операционный усилитель позволяет производить умножение на постоянный коэффициент, величина которого может быть выбрана в широких пределах, и обеспечивает возможность перемены знака входного сигнала.
В реальной схеме ОУ .
Чтобы напряжение между инвертирующим и инвертирующими входами осталось равным нулю, неинвертирующий вход подключают к общей точки через сопротивление (рис. 3.2)
Рис. 3.2.
Сопротивление выбирается так, чтобы выполнялось равенство
.
При в случае когда .
Если к инвертирующему входу подключить несколько сигналов, то можно осуществить их суммирование с масштабными множителями (рис. 3.3).
Рис. 3.3.
Считая что получим .
Тогда
Неинвертирующие операционные усилитель.
В этой схеме (3.4) сигнал подается на инвертирующий вход, а не на его инвертирующий выход с помощью делителя подается сигнал ООС.
Рис. 3.4.
В схеме действует ООС по напряжению с коэф. ОС .
Дифференциальное напряжение будет равно , т.к. , то
.
Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления неинвертирующего ОУ
Входное сопротивление неинвертирующего (ОУ) усилителя
а выходное сопротивление
.
Так как , то на входах действует синфазный сигнал, значение которого близко к .
При коэффициент усиления , т.е. операционный усилитель выполняет функцию повторителя напряжения.
Дифференциальный операционный усилитель.
В этой схеме усилитель работает в линейном режиме и представляет собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ.
Рис. 3.5.
При , т.е. схема вычитает входные сигналы