Технические дисциплины - Электроника

Операционные усилители (ОУ)

 

ОУ – это усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, большой коэффициент усиления по своим усилительным характеристикам приближающийся к идеальному усилителю и используемые для выполнения различных операций с электрическими сигналами, например: усиление, масштабирование, суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.

 

Структура ОУ

 

ОУ – это усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами, основу которого составляет ДУ.

ОУ имеет 2 входа, вход «-» - инвертирующий (Ивх) – это такой вход, сигнал на котором находится в противофазе с выходным; вход «+» - не инвертирующий вход (НИвх) – на котором сигнал находится в фазе с выходным. Как правило, ОУ имеет несимметричный выход (одиночный) двуполярное питание и строится по 3-х каскадной или 2-х каскадной структуре. Современные ОУ – 2-х каскадная схема.

Основные параметры по постоянному току обеспечивает ДУ; основное усиление по напряжению – в 2-х каскадной структуре. Для обеспечения работы на низкоомную нагрузку на выходе ОУ используют усилитель мощности (усилитель тока). Как правило, это каскад ОК.

 

Обозначения и эквивалентная схема ОУ

 

 

NC, NV – выводы для подключения внешних элементов

NC ® C

NR ® R

 

 

Rвх д – дифференциальное входное сопротивление (входное сопротивление между входами);

Rвх с – синфазное входное сопротивление (входное сопротивление между закороченными входами и общей шиной);

Кд – дифференциальный коэффициент усиления;

Rвых – выходное сопротивление;

КдUвх д – управляемый источник напряжения;

Rвх с >> Rвх д (как минимум в 10 раз)

Поэтому при инженерных расчетах обычно Rвх с не учитывается и упрощается схема ОУ:

 

В прецизионных схемах, когда необходима точность в десятые, сотые доли %, Rвх с необходимо учитывать.

 


Основные параметры и характеристики ОУ

  1. 1.            К – коэффициент усиления дифференциального напряжения; К - 103¸106
  2. 2.            Rвх д – дифференциальное входное сопротивление
  3. 3.            Rвх с – синфазное входное сопротивление
  4. 4.            Кс – коэффициент усиления синфазного сигнала
  5. 5.            Косс – коэффициент ослабления синфазного сигнала; Косс = Кдс 40 дб¸120 дб
  6. 6.            Iвх см – входной ток смещения (ток управления); ~ 1 нА¸10 мкА для БТ; ~ 10 пА для ПТ
  7. 7.            Разница (DIвх см) входных токов, обусловлена не идеальностью ДУ
  8. 8.            Uсм – напряжение смещения – это напряжение, которое необходимо приложить ко входу, чтобы Uвых = 0; ~ 1 мкВ¸50мВ
  9. 9.            ТКUсм – температурный коэффициент или дрейф напряжения смещения
  10. ТКIсм – дрейф тока смещения
  11. Rвых – выходное сопротивление (1¸100 ОМ)
  12. Uсмдр – дрейф напряжения смещения [мкВ/час] 1¸1000
  13. Df – ширина полосы пропускания при малом сигнале
  14. Dfpmax – ширина полосы пропускания по максимальной мощности
  15. fк1 – частота единичного усиления, на которой коэффициент усиления = 1
  16. tуст – время установления Uвых при скачке Uвх
  17. Vu – В/мксек – максимальная скорость нарастания Uвых
  18. ±DUвх д, ±DUвх с – диапазон входных напряжений
  19. Imaxн – максимальный ток нагрузки
  20. Rminн – минимальное сопротивление нагрузки, на котором ещё выделяется полное выходное напряжение
  21. ±DUвыхmax – диапазон выходного напряжения
  22. КDЕ Þ DUвх см/DЕпит – коэффициент влияния нестабильности источника питания
  23. Ток потребления по источникам (±) - Iпотр
  24. Dt0С – рабочий температурный диапазон
  25. Кни – коэффициент нелинейных искажений
  26. Uвхш Þ [mV/Hz1/2] – эквивалентное напряжение шума, приведенное ко входу
  27. Iвхш Þ [nA/Hz1/2] – ток шума, приведенный ко входу
  28. ±(Emin±Emax) – диапазон напряжений питания

 

1-5 – характеризуют усилительные свойства ОУ

6-12 – характеризуют точностные свойства ОУ на постоянном токе

13-17 – параметры, характеризующие быстродействие ОУ

18-25,28 – характеризуют эксплуатационные свойства ОУ

26,27 – шумовые свойства ОУ.

 

Основные схемы включения ОУ

Свойства и характеристики усилителя

 

q  Ku Þ ¥ (~105 - реальный) – идеальный усилитель имеет бесконечно большой коэффициент усиления

q  Rвх Þ ¥ (~106)

q  DUвх Þ 0 (0,1¸10мВ) – усиливает сколь угодно малый входной сигнал

q  Iвх (DIвх) Þ 0 (мА, мкА) – не потребляет входного тока

q  Uвых Þ ¥ (±15В)

q  Iвых Þ ¥ (1¸100мА)

q  Uсм Þ 0 (мВ, мкВ) – не имеет напряжения смещения

q  Uдр Þ 0 (мкВ, мВ) – не имеет дрейфа

q  Df Þ ¥ (10¸100МГц)

 

с 1 по 4 пункт – основные характеристики

DUвх = 15В/105 = 150*10-6 = 150мкВ

 

Инвертирующий усилитель на ОУ

 

При работе ОУ в линейном режиме схемы с ОУ является также линейными и для них справедливы все правила и законы расчета линейных электрических схем как постоянного, так и переменного тока.

Ku = Uвых/Uвх; I1 + I2 = Iвх

I1 = (Uвх – Uвхи)/R1; I2 = (Uвых - Uвхи)/R2

Т.к. ОУ обладает большим усилением и имеет высокое Rвх, т. е. приближается к идеальному усилителю, то

Iвх Þ 0; Uвхи = Uвхд Þ 0

В линейном режиме работы ОУ поддерживается на входе дифференциальное напряжение = 0.

При заземленном НИ входе на инвертирующем входе поддерживается потенциал виртуальной землей.

I1 = -I2; I1 = Uвх/R1; I2 = Uвых/R2

Uвых/ Uвх = - R2/ R1 = Ku (1)

Инвертирующий усилитель имеет коэффициент усиления, равный R2/R1, это справедливо, если K ® ¥, если K – конечное, то

|Ku| = K0/(1 + bK0) - точная формула,

где b = R1/R2

Усилитель инвертирующий, если вход сигнал подается на инвертирующий вход. По отношению к инвертирующему входу резистор R2 обеспечивает || - ую ООС по напряжению.

Rвх = R1 + Rвхоу/(1 + bK) @ R1

Rвых = Rвыхоу/(1 + bK)

В инвертирующем усилителе входное сопротивление определяется величиной резистора R1, а выходное сопротивление при глубокой ООС ® 0.

При К > 104 погрешность dК не превышает 1 % Þ можно пользоваться (1)

 

Не инвертирующий усилитель на ОУ

 

В предположении, что усилитель идеальный:

iвых = i2

iвх @ 0

Uвх д = Uвхни – Uвхи = 0 Þ

Uвх = Uвхни = Uвхи

i2 = Uвых/(R1 + R2)

i1 = Uвх/R1

i1 = i2

Uвых/(R1 + R2) = Uвх/R1

 

Uвых/Uвх = Ku = (R2 + R1)/R1 = 1 + R2/R1

Сигнал с выхода непосредственно передается на вход, следовательно, ООС по U – последовательная связь, следовательно

Rвхни = Rвх(1 + bК)

b = R1/(R2 + R1)

Не инвертирующий усилитель имеет высокое Rвх.

Не инвертирующее включение ОУ используется для обеспечения высокого Rвх усилителя.

 

 

К = 1

100% ОС Þ

высокое Rвх, низкое Rвых

Rвых = Rвых0/(1 + bК)

 

 

 

В не инвертирующем усилителе обратной связью охвачено только Rвх д, а Rвх с не охвачено, следовательно, при получении больших Rвх Rвх с необходимо учитывать.

Rвхни = Rвх дос || Rвх с

Пока Rвх дос < Rвх с мы не учитываем Rвх с

В НИ усилителе полное входное сопротивление ограничено сверху синфазным входным сопротивлением ОУ.

 

ДУ на ОУ (разностный)

 

Uвых = f(U1, U2)

Т. к. схема является линейной с несколькими источниками, то для решения задачи можно воспользоваться принципом суперпозиции.

Uвых = U’вых|U2 = 0 + U’’|U1 = 0

U’вых = (-R2/R1)*U1

U’’ = Uвхни*(R1 + R2)/R1

Uвхни = (U2/(R3 + R4))*R4

U’’ =

Uвых = U2 - разностный усилитель

Пусть R1 = R2 = R3 = R4 = R, тогда

Uвых = U2 – U1 – ДУ

Или

R1 = R3, R2 = R4, тогда

Uвых = (R2/R1)(U2 – U1) – разностный

Или

R2/R1 = R4/R3

Эти формулы справедливы, если параметры ОУ близки к идеальным. В реальных схемах необходимо учитывать погрешность самого ОУ, а также погрешность сопротивлений, используемых в схеме. ДУ обычно используется как инструментальный усилитель для выделения слабого сигнала на фоне большой синфазной помехи (или самого сигнала).

 


Сумматор на ОУ

 

 

 

В предположении, что усилитель идеальный:

i0 + i1 + … + in = 0

i0 = iвых = Uвых/R0; i1 = U1/R1

in = Un/Rn

Uвых = -((R0/R1)U1 + … + (R0/Rn)Un)

Если R0 = R1 = Rn, то

Uвых = -(R0/R1)

Инвертирующий сумматор

Аналогично может быть построена схема не инвертирующего сумматора:

 

 

Суммирование может быть одновременно обеспечено как на И входе, так и на НИ входе ОУ.

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить