Операционные усилители

Операционные усилители

Содержание:

Введение..................................5

Операционные усилители

1.2. Идеальный операционный усилитель.....................8 1.3. Основные схемы включения операционного усилителя.............9 · Дифференциальное включение ...................9

Введение

Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко

используемый в современных схемах формирования и преобразования

информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в

цифровой технике.

Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего

такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования

сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д.

Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные

схемы усиления.

Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители

включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов,

транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и

ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных

применений операционных усилителей.

Изложенное показывает целесообразность изучения принципов построения,

особенностей работы и применения операционных усилителей как элементов

различных устройств и систем обработки информационных сигналов. В настоящей

работе предпринята попытка создать пособие по разделу «Операционные

усилители» для самостоятельного изучения в рамках дисциплины «Электротехника

и электроника».

Курсовая работа выполнена в виде Web-сайта, в первой части которой

содержаться общие сведения, а также информация о внутренней структуре и

способах включения операционных усилителей. Рассмотрены параметры идеального

операционного усилителя, и показана его стандартная схема.

В отдельном разделе курсовой работы описаны следующие функциональные

устройства на операционных усилителях:

Ø вычислительные схемы на операционных усилителях;

Ø электрические фильтры;

Ø измерительные усилители;

Ø генераторы сигналов на операционных усилителях;

Последний раздел работы позволяет изучить макромодели ОУ 153УД1 и

трехкаскадного ОУ типа 153УД1. Рассмотрена их схемная реализация и применение

в современных электронных устройствах.

Выполненную работу предполагается продолжить за счет введения дополнительных

частей пособия для тестового самоконтроля и заданий для выполнения учебно-

исследовательской работы (в виде конкретной задачи по анализу и синтезу

устройств различного назначения).

 

 

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических

операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был

разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились в

продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь

германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению

надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров

способствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в

лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ

mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В

настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Эти усилители

выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их

массовому распространению.

ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими

значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом

усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного

транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти

исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и

отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря

практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных

схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах.

ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем

("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

На рис.1 приведена схема ОУ. Входной каскад его выполняется в виде

дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В

дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой

p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative -

отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с

разностью входных напряжений:

U_вых = U₁ - U₂

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с

отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее

напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока,

которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним

выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением

питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не

будем указывать выводы питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти

всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой

и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Рис. 2. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу

усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи

вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2, допустим, что входное

напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_вх

. В первый момент выходное напряжение U_вых, а следовательно, и

напряжение обратной связи U_вых также равны нулю. При этом

напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит U_д

= U_вх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим

коэффициентом усиления K_U, то величина U_вых быстро

возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также

величина U_вых. Это приведет к уменьшению напряжения U_д,

приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует

на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону,

противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной

обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

U_вых =K_UU_д =K_U(U_вх - U_вых).

Решив это уравнение относительно U_вых, получим:

K=U_вых /U_вх =K_U/(1 + K_U) (1)

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с

обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и

мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь

обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом

схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого

определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в

качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный

фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов

позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Идеальный операционный усилитель

оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства: … a) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K

Основные схемы включения операционного усилителя

Дифференциальное включение

Рис. 4. Дифференциальное включение ОУ На рис. 4 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость … выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства а)

Инвертирующее включение

(рис. 5). Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ

Неинвертирующее включение

ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R 2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6)

Внутренняя структура операционных усилителей

сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами: 1) высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по

Стандартная схема операционного усилителя

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать

значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать

один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме.

Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ А741 (полная схема

включает 24 транзистора) приведена на рис. 10.

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p

транзисторах VТ₁ и VТ₂. В качестве нагрузки использовано

токовое зеркало на n-p-n транзисторах VТ₃ и VТ₄. Для

выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее

соотношение:

I_д= I_к2 -I_к1

Рис. 10. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ А741

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является

разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов

взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе VТ₉. В некоторых ОУ

(например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем его

входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им

программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности,

потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе VТ

₆. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе VТ₁₀

. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен

эмиттерный повторитель на транзисторе VТ₅. Конденсатор С_к

обеспечивает операционному усилителю частотную характеристику вида, приведенного

на рис. 3.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный

повторитель на транзисторах VТ₇, VТ₈. Напряжение на

участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении,

обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что

позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает

симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного

напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого

замыкания выхода.

 

 

Схема замещения операционного усилителя

При построении высокоточных схем на ОУ необходимо учитывать влияние

неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно представить

усилитель схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности.

Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена

на рис. 11.

У ОУ с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для

дифференциального сигнала r_д составляет несколько мегаом, а входное

сопротивление для синфазного сигнала r_вх несколько гигаом. Входные

токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких

наноампер. Существенно бoльшие значения имеют постоянные токи, протекающие

через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов

дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в

пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами,

выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли наноампер.

Рис. 11. Схема замещения реального операционного усилителя для малых сигналов

Для иллюстрации влияния собственных сопротивлений усилителя на характеристики

схемы на ОУ рассмотрим схему неинвертирующего усилителя, изображенного на

рис.12.

 

 

Входное сопротивление схемы

малое напряжение Uд = Uвых/KU = U1/(1+KU), Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U1

Выходное сопротивление схемы

сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет rвых порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения

Коррекция частотной характеристики

операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости, проявляющейся

Полная частотная коррекция

фазовый сдвиг его при |KU| >1 должен быть по абсолютной величине меньше 120°. При этом для любого коэффициента обратной связи 0<K<1… по фазе будет составлять не менее 60°. Это требование выполняется коррекцией

Подстраиваемая частотная коррекция

запас устойчивости по фазе для резистивной отрицательной обратной связи с любыми параметрами. Однако этот способ имеет тот существенный недостаток,… ширина полосы пропускания усилителя, охваченного обратной связью, обратно

Скорость нарастания

один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения ограничивается при этом довольно малой величиной. Максимальное значение скорости нарастания r определяется в основном скоростью заряда

Компенсация емкостной нагрузки

выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает запас… фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при незначительной величине

Параметры операционных усилителей

точностные, динамические и эксплуатационные. К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС,

Динамические параметры ОУ

малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания fп, частота единичного усиления fт и время установления tу. Эти параметры называются малосигнальными,

Типы операционных усилителей

Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или… характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие