Setting96.ru

Строительный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

24 Операционные усилители, их основные параметры и схемы включения

24 Операционные усилители, их основные параметры и схемы включения.

Усилители, позволяющие выполнять операции суммирования, интегрирования, дифференцирования и логарифмирования, представляют основу аналоговых вычислительных машин. Используемые обычно для этих целей усилители постоянного тока, помимо малого дрейфа, должны иметь большой коэффициент усиления и допускать охват их глубокой обратной связью без нарушения устойчивости.

ОУ – это усилители постоянного тока с дифференциальным входом, обладающие весьма большим коэффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 100 МГц), высоким (до 100 МГц) входным и низким (десятки Ом) выходным сопротивлениями.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).

2. Uсдв — Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 — 100 мВ.

3. Iсм — Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. Iсдв — Входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. сдв см1 см2 I = II .

5. Rвх — Входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6. Rвых — Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.

7. Косс — Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. — Напряжение питания.

12.Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

Основные схемы включения ОУ.

В инвертирующем усилителе (рис.3.18.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если Uвх, положительное то напряжение в точке А, а значит и Uд , также станет положительным, а Uвых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины Uд =Uвых / К ≈ 0. Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен Кос.

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение Кос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1.. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ Uвых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ — Uд, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · К.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным Uос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.Если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R΄ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос. Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2. Очевидно, что если U2 на рис.3.21 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.

Идеальный ОУ отрабатывает изменения только дифференциального входного сигнала и не реагирует на изменения синфазного напряжения. В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение (правда, весьма незначительное) выходного напряжения. Способность ОУ отличать дифференциальный входной сигнал от изменений синфазного напряжения является одной из его важнейших характеристик. Количественно эта способность называется коэффициентом ослабления синфазных входных напряжений, равным отношению коэффициента усиления ОУ к его коэффициенту усиления синфазных входных напряжений.

Коэффициент усиления напряжения ОУ определяют как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения. Частота входного сигнала, при которой уменьшается на 3 дБ (1,4 раза) по сравнению с его значением на низших частотах, определяет верхнюю границу полосы пропускания усилителя.

Отношение приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока на заданной частоте сигнала называют входным сопротивлением. Это сопротивление следует отличать от входного сопротивления ОУ для синфазных входных напряжений, которое определяется как отношение приращения синфазных входных напряжений к приращению активной составляющей среднего входного тока на заданной частоте сигнала.

Важнейшим выходным параметром ОУ является максимальное выходное напряжение: наибольшее неискаженное напряжение при определенном входном напряжения и заданном сопротивлении нагрузки. Для некоторых типов ОУ это напряжение может быть различным для положительной и отрицательной полярности сигнала.

Использование усилительных операций для реализации вычислительного алгоритма

Рисунок 1.1 — Схема дифференциального усилителя

Стандартная схема ДУ на ОУ представлена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть, что в отличие от рассмотренных ранее усилителей в схеме рис.1.1 усиливаемый сигнал подается на дифференциальный вход ОУ. Предположим, что на вход подается ДУ только полезный сигнал, который может быть представлен в виде разности двух источников напряжения U1 – U2 = E, включенных по схеме с общей точкой. Как известно из теории работы ОУ, для них справедливо правило виртуального нуля, то есть потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов можно считать одинаковыми (Uд = 0). Исходя из схемы включения, оба входа будут находиться под напряжением U. Применив метод суперпозиции, рассмотрим две конфигурации схемы. В схеме на рис. 1.2 U2 = 0 и схема превращается в стандартный инвертирующий усилитель.

Рисунок 1.2

Так как входными токами ОУ можно пренебречь, через резисторы R2 и R4 токи не протекают, а значит напряжение U = 0. В этом случае напряжение на выходе:

В схеме на рис. 1.3 U1 = 0 и конфигурация схемы соответствует неинвертирующему усилителю, входным напряжением которого является U, подаваемое на вход с делителя R2 — R4. Напряжение на выходе:

Если подать напряжение на оба входа одновременно, то в соответствии с теорией работы ОУ, напряжение на инвертирующем входе всегда будет поддерживаться на уровне U.

Рисунок 1.3

Приняв входное сопротивление ОУ равным бесконечности, можно записать

В то же время справедливо соотношение:

Преобразуем данное выражение и получим:

Как следует из полученного выражения , выходное напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений, полученных на выходах неинвертирующего и инвертирующего усилителей при заземлении соответствующих входов ДУ. Если в полученное выражение подставить значение для U, то получим:

Если в данной схеме выполнить равенство R1 = R2, R3 = R4, то получим:

Можно считать это соотношение основным, связывающим выходное и входное напряжения дифференциального усилителя, то есть:

где Е0 = (U2 – U1) – входное дифференциальное напряжение ДУ; – коэффициент усиления ДУ. Следует помнить, что на вход ДУ подается дифференциальное напряжение, то есть это может быть сигнал от изолированного источника, не связанного с «землей». На выходе ДУ получается униполярный сигнал, снимаемый относительно «земли». Причем полярность выходного напряжения определяется большим из U1 и U2, то есть, фактически, полярностью входного напряжения. Выбор сопротивлений в схеме ДУ производится исходя из тех же соображений, что и для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. С учетом того, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ потенциально объединены, входное сопротивление ДУ может считаться равным RВХ = R1 + R2.

Читать еще:  Ошибка синхронизации не удается установить

Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором(подавителем,активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются: 1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°, 2. петлевое усиление >1, 3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений. Необходимость третьего условия. Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор. В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

Операционный усилитель. Принцип работы и схемы включения.

Photo of author

Продолжаем изучать основы электроники на нашем сайте, и героем сегодняшней статьи будет еще одно замечательное устройство — а именно операционный усилитель. Сегодня разберемся, что это вообще такое, как он работает, ну и парочку основных схем по традиции разберем

Итак, по определению ОУ — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Теперь разберемся, что это значит…

ОУ имеет два входа и один выход. Один из этих входов называют неинвертирующим и обозначают на схемах плюсом, второй, соответственно, является инвертирующим. Так вот, напряжение на выходе ОУ определяется следующим образом:

K — это коэффициент усиления операционника, обычно он имеет значения порядка 100000 — 1000000. Из формулы видим, что в случае, когда сигналы на обоих входах ОУ равны, на выходе ноль. Если, например, потенциал инвертирующего входа (-) стал более положительным, чем потенциал неинвертирующего входа (+), то выходной сигнал изменится в отрицательном направлении. В этом и заключается работа операционного усилителя.

Помимо уже упомянутых входов и выхода ОУ имеет также выводы для подачи питания, и вот как выглядит его обозначение на принципиальных схемах:

Операционный усилитель

Чаще всего в схемах на операционниках используется обратная связь, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи слишком уж велик В замечательной книге Хоровица и Хилла приведены несколько, а точнее два правила, которые определяют как работает операционник в схемах с обратной связью.

  • Итак, первое правило заключается в том, что входы ОУ не потребляют ток. Конечно, в реальности потребление все-таки есть, поскольку идеального ничего не бывает, но это потребление составляет единицы нА, а то и меньше.
  • Второе правило заключается в том, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Вот эта формулировка мне, честно говоря, не слишком нравится. А суть тут заключается в том, что часть выходного напряжения через цепь обратной связи передается на вход и в результате этого потенциал обоих входов ОУ выравнивается.

Для того, чтобы разобраться в работе операционного усилителя, давайте рассмотрим пару-тройку схем. И начнем со схемы неинвертирующего усилителя (кстати на схемах порой опускают обозначение выводов для подачи питания на ОУ, мы, пожалуй, тоже так поступим ):

Неинвертирующий усилитель

Для начала определим, какое же значение напряжения мы получим на выходе, подав на вход U_ <вх>. Как следует из второго правила — операционник с обратной связью «добьется» того, чтобы потенциалы входов выровнялись, а это значит, что:

Но в то же время R_1 и R_2 образуют делитель напряжения и тогда:

Приравниваем эти два значения и получаем, что:

Получили такой вот коэффициент усиления для неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с обратной связью.

Давайте рассмотрим конкретный пример, чтобы еще лучше понять работу данной схемы. Пусть будут такие номиналы: R_2 = 10medspace КОм , R_1 = 1medspace КОм . На вход подадим 1 В. В этом случае напряжение на выходе ОУ начнет расти, поскольку ( U_+medspace-medspace U_- > 0 ).

И расти оно будет до тех пор, пока потенциал на инвертирующем (-) выходе не станет равен 1 В (так как на неинвертирующем входе (+) у нас как раз-таки 1 В). Остается определить, при каком выходном значении напряжения, U_- будет равно 1 В. Входы ОУ ток не потребляют, значит ток протекает по цепи выход — R_2 — R_1 — земля:

Из этого равенства без проблем определим U_ <вых>, при значении U_- равном 1 В:

Подставив наши значения, получим U_ <вых>= 11medspace В . Это подтверждает верность выведенной нами ранее формулы U_ <вых>= U_<вх>medspace(1 + frac)

С неинвертирующим усилителем разобрались, давайте рассмотрим еще одну схему — инвертирующий усилитель.

В принципе работает эта схема практически так же, как предыдущая. На неинвертирующем (+) входе потенциал земли, значит на инвертирующем тоже будет такой же потенциал. То есть:

Не забываем, что ток входы ОУ не потребляют, а значит ток протекает по цепи выход — R_2 — R_1 — вход и равен он:

Отсюда нам остается только выразить U_ и определить коэффициент усиления цепи:

Сразу же становится понятно, почему усилитель называется инвертирующим Сигналы на входе и на выходе разных знаков.

В завершение рассмотрим, пожалуй, еще одну небольшую схемку, а именно схему повторителя на операционном усилителе с обратной связью:

Схема повторителя на поерационном усилителе с обратной связью

Если внимательно посмотреть на эту схему, то становится понятно, что это всего лишь неинвертирующий усилитель, у которого R_1 равно бесконечности, а R_2 равно нулю. Подставив эти значения в формулу для U_ получим:

Таким образом, напряжение на выходе повторяет сигнал на входе! Огромный плюс такого повторителя заключается в том, что его входной импеданс огромен, а выходной, напротив, мал.

Наверно, на этом сегодня закончим, а в следующей статье рассмотрим и проанализируем какие-нибудь схемки посложнее До скорых встреч!

Пример

Полагая R 1 = 1 кОм и R oc = 2,2 кОм, рассчитать коэффициент усиления и выходное напряжение инвертирующего усилителя, если на его вход подано на­пряжение 50 мВ.

Выходное напряжение = -2, 2 · 50 мВ = -110 мВ.

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (рис. 31.3) вырабатывает выходное напряже­ние, величина которого пропорциональна сумме входных напряжений V1 и V2. Для входного напряжения V1 коэффициент усиления GV= Roc / R1, а для входного напряжения V2 GV= Roc / R1 .

Например, если Roc = R1 = R2, то коэффициент усиления для обоих входов равен -5 кОм / 5 к0м = -1. Пусть V1 = 1 В и V2 = 2 В, тогда вклад в выходное напряжение, связанный с V1 , составляет 1 · (-1) = -1 В, а вклад, связанный с V2, составляет 2 · (-1) = -2 В. Следовательно, полное выходное напряжение равно Vвых = -1 — 2 = -3 В.

Пример 1

На входы суммирующего ОУ, показанного на рис. 31.4, подаются напряжения V 1 = 20 мВ и V 2 = -10 мВ. Рассчитайте выходное напряжение V вых .

Суммирующий усилитель

Рис. 31.3. Суммирующий усилитель.

Читать еще:  Регулировка яркости с помощью клавиатуры ноутбука

r31.4

Рис. 31.4.

Выходное напряжение для V1 = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Выходное напряжение для V 2 = -5/5 · (-10) = +10мВ.

Следовательно, полное выходное напряжение Vвых = -100 + 10 = -90 мВ.

Повторитель напряжения

В этом случае операционный усилитель охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис. 31.5) и имеет результирующий коэффициент уси­ления, равный 1. Заметим, что выходной и входной сигналы повторителя напряжения совпадают по фазе.

Напряжение смещения

При нулевом входном сигнале выходной сигнал идеального ОУ равен ну­лю. На практике это не так: отличный от нуля сигнал (ток или напря­жение) присутствует на выходе ОУ даже при нулевом входном сигнале. Чтобы добиться нулевого выходного сигнала при нулевом входном, на вход ОУ подается входной ток смещения или напряжение смещения та­кой величины и полярности, чтобы выходной сигнал, соответствующий входному сигналу смещения, компенсировал исходный мешающий выход­ной сигнал.

Входной ток смещения обычно устанавливается с помощью дополни­тельного резистора R2, подключаемого к неинвертирующему входу ОУ, как показано на рис. 31.6.

Повторитель напряжения

Рис. 31.5. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.6

Оптимальное сопротивление этого резистора определяется по формуле

Обычно, если коэффициент усиления больше четырех, номиналы рези­сторов R2и R1 выбирают одинаковыми. Введение резистора R2 не изме­няет коэффициент усиления инвертирующего усилителя, он по-прежнему остается равным Roc/R1. Как мы увидим позже, в некоторых ИС преду­сматриваются выводы для установки нулевого напряжения на выходе ОУ.

В этом случае входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, как показано на рис. 31.7.

Неинвертирующий усилитель

Рис. 31.7. Неинвертирующий усилитель.

На рис. 31.8 показано использование ОУ в качестве интегратора. В этом случае функцию элемента обратной связи выполняет конденсатор C1. При подаче перепада напряжения (ступеньки) на вход интегратора вы­ходной сигнал начинает нарастать от нулевого значения с постоянной скоростью и имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала (рис. 31.9).

Интегратор

Рис. 31.8. Интегратор.

Скорость изменения выходного напряжения опреде­ляется постоянной времени C 1 R 1 и величиной входного сигнала.

Скорость изменения выходного напряжения =

где V 1 входное напряжение. Отрицательный знак указывает на инвер­тирование сигнала.

Пример 2

Пусть C 1 = 1 мкФ, R 1 = 1 кОм и V 1 = 3 В. Рассчитайте скорость изменения выходного напряжения.

Прежде чем рассчитывать скорость изменения выходного напряжения, полезно найти постоянную времени для данной схемы.

Постоянная времени = C1R1 = 1 · 10 -6 · 1 · 10 3 = 10 -3 с = 1 мс.

Скорость изменения выходного напряжения = = -3 В/1 мс = -3 В/мс. Это означает, что выходное напряжение будет изменяться на -3 В за каждую миллисекунду. Предположим, что конденсатор C 1 полностью разря­жен перед подачей входного сигнала. Тогда через 0,5 мс выходное напряжение будет равно -1,5В, через 1 мс — -3 В, через 1,5 мс — -4,5 В и т. д. Следует отметить, что постоянная времени интегрирующего усилителя C 1 R 1 численно равна длительности временного интервала, в течение которого выходное напря­жение интегратора, «стартующее» с нулевого уровня, нарастает до величины входного напряжения.

Для того чтобы построить график временной зависимости выходного напря­жения, нужны две точки. Удобнее всего использовать точки, указанные на

Повторитель напряжения

Рис. 31.9. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.10.

r31.11

Рис. 31.11.

рис. 31.10: точку А для момента времени t = 0, когда выходное напряжение V вых = 0, и точку В для момента времени t = C 1 R 1 (постоянная времени интегра­тора), когда выходное напряжение V вых = V 1 (входное напряжение с обратным знаком). Проводя через точки А и В прямую линию, получаем график измене­ния выходного напряжения. В рассматриваемом примере координаты точки А определяются как (0 В, 0 мс), а точки В как (-3 В, 1 мс).

Форма выходного сигнала при подаче на вход интегратора последова­тельности прямоугольных импульсов показана на рис. 31.11.

Коэффициент усиления переменного сигнала

Если на вход интегрирующего усилителя подать синусоидальный сигнал, на его выходе воспроизводится также синусоидальный сигнал. В этом случае интегратор работает как усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, определяемым постоянной времени C 1 R 1 и частотой входного сигнала.

Реактивное сопротивление конденсатора XC1

где реактивное сопротивление конденсатора . Отсюда

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 31.12) вырабатывает выходной сиг­нал, пропорциональный разности входных сигналов V1 V2. При R1 = R2 имеем

r31.12

Рис. 31.12.

Назначение выводов ОУ 741

На рис. 31.13 показана схема расположения выводов ОУ 741, выпускаемо­го в 8-штырьковом DIP-корпусе (плоском корпусе с двухрядным распо­ложением выводов). Подстройка нуля на выходе ОУ (балансировка ОУ) обеспечивается подстроечным резистором, включаемым между вывода­ми 1 и 5 (как показано на рис. 31.14). Выводы 2 и 3 — инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ соответственно. Выходной сигнал снимает­ся с вывода 6. Положительное напряжение источника питания (+15 В) подается на вывод 7, а равное по величине отрицательное напряжение (-15 В) — на вывод 4. Вывод 8 не используется.

Назначение выводов ОУ 741

Рис. 31.13. Назначение выводов ОУ 741.

r31.14

Рис. 31.14.

Частотная коррекция

Идеальный ОУ имеет бесконечную полосу пропускания. Однако на прак­тике коэффициент усиления спадает при увеличении частоты. Для ком­пенсации этого падения и, следовательно, для расширения полосы про­пускания в некоторых ИС операционных усилителей предусмотрены вы­воды для частотной коррекции. В ОУ 748 для этой цели предназначены выводы 1 и 8 (рис. 31.15). Частотная коррекция осуществляется путем включения конденсатора C1 между этими выводами, как показано на рис. 31.15(б).

ОУ 748: (а) назначение выводов; (б) частотная коррекция и балансировка

Рис.31.15. ОУ 748: (а) назначение выводов; (б) частотная коррекция и балансировка.

В этом видео рассказывается о принципе работы операционного усилителя:

Операционные усилители. Часть 2. Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилительЧтобы лучше понять принципы построения схем с применением операционных усилителей часто пользуются понятием идеального операционного усилителя. В чем же его идеальность, его чудесные свойства? Их не так уж много, но все они стремятся либо к нулю, либо и вовсе к бесконечности. Но так ведет себя операционный усилитель не охваченный обратной связью (ОС) и вообще не имеющий никаких внешних подключений.

Об обратной связи и некоторых схемах включения операционных усилителей в этой статье постараемся рассказать без упоминания громоздких математических формул с интегралами. Но некоторых, совсем простых и понятных, на уровне восьмого класса школы, которые помогут понять общий смысл, все-таки не избежать.

Коэффициент усиления

При таком «необузданном» коэффициенте усиления достаточно на его входы подать всего несколько микровольт (например, сетевая наводка), чтобы получить на выходе напряжение близкое к напряжению питания 15В. Такое состояние говорит о насыщении выхода.

Здесь уместно вспомнить такое же состояние у транзисторов. Естественно, что в таком виде не получается вовсе никакого усиления. Поэтому реальные операционные усилители всегда охвачены отрицательной обратной связью, о которой будет рассказано чуть ниже.

Хотя надо заметить, что достаточно часто операционные усилители используются и без обратной связи, а в ряде случаев и с положительной обратной связью. Такое применение встречается в компараторах – устройствах для точного сравнения аналоговых сигналов. Компараторы выпускаются в виде специализированных микросхем, а также входят в состав других микросхем. Достаточно вспомнить легендарный интегральный таймер NE555, который содержит внутри себя сразу два компаратора.

Почти недавняя история

В свое время отечественная электронная промышленность тоже освоила выпуск операционных усилителей. Первым операционным усилителем был К1УТ401А(Б), впоследствии переименованный в К140УД1 с теми же буквами на конце. Так вот, будучи почти точной копией американского собрата UA702, аналог с буквой А при напряжении питания ±6В имел коэффициент усиления в пределах 500…4500, а с буквой Б (±12В) 1500…13000.

По современным меркам это просто смешно, но, тем не менее, эти архаичные усилители еще вполне можно встретить. Но даже при таких «маленьких» коэффициентах усиления, без отрицательной обратной связи обойтись было нельзя.

И вот как раз появление операционных усилителей в интегральном исполнении ввело этот универсальный компонент в промышленные, бытовые и радиолюбительские схемы. Ведь согласитесь, что операционный усилитель на электронных лампах или даже транзисторный вариант, кроме как в АВМ оборонного назначения использовать было нельзя.

Входы и выходы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет два входа и один выход, ну и, конечно, два вывода для подачи напряжения питания. Это минимальный набор выводов, жизненно необходимый. Именно такой он у большинства современных операционных усилителей. Когда-то были выводы для подключения элементов частотной коррекции и балансировки.

Питание чаще всего двухполярное со средней точкой, что дает возможность осуществлять усиление по постоянному напряжению. В этом случае принято считать, что частотный диапазон операционных усилителей начинается от 0Гц, а верхняя частота ограничивается как собственно типом операционного усилителя, его внутренней схемой и типом транзисторов, так и схемой его включения.

Полоса пропускания идеального операционного усилителя простирается от постоянного тока до бесконечности. Также к бесконечности стремится и быстродействие или скорость нарастания выходного сигнала. Но этот вопрос пока рассматривать не будем.

Что усиливает операционный усилитель

Выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности напряжений на его входах. При этом абсолютный уровень сигналов, а также их полярность особой роли не играют. Значение имеет только разность. И коль скоро все термины в электронике произошли от английского языка, то самое время вспомнить слово «different», что в переводе означает разнородный, разностный (словарь «Мультитран»), а сами усилители такого принципа действия получили название дифференциальных.

Что не усиливает операционный усилитель

Тут можно вспомнить еще о таком чудесном свойстве операционных усилителей, как ослабление синфазного сигнала: если на оба входа подать один и тот же сигнал, то он усиливаться не будет. Этим пользуются при подаче сигнала по длинным проводам: полезный сигнал имеет разную фазу, в то время, как сигнал помехи на обоих входах один и тот же.

Что можно получить на выходе операционного усилителя

Выходное сопротивление идеального операционного усилителя стремится к нулю, что теоретически позволяет получить на выходе сигнал сколь угодно большой, просто бесконечный. На самом деле выходное напряжение реального операционного усилителя ограничено напряжениями источников питания: если двухполярное питающее напряжение, например, ±15В, то получить на выходе +20 или -25 просто невозможно.

Это, что касается усиления постоянных напряжений. В случае усиления, например, синусоиды на выходе должна получиться тоже синусоида, амплитуда которой не превышает напряжение питания.

Входное и выходное напряжения не могут быть выше, чем напряжение источников питания. Например, при питании ±15В выходное напряжение ниже на 0,5…1,5В. Но некоторые современные микросхемы позволяют получить на выходе и входе равное напряжению питания. Это свойство в даташитах обозначается как Rail-to-Rail, буквально как от «шины до шины». При выборе операционного усилителя на это свойство следует обращать внимание.

Входное сопротивление

Входное сопротивление обоих входов операционного усилителя очень велико и находится в пределах сотен МегаОм, а в некоторых случаях даже ГигаОм. Для сравнения: упомянутые выше К1УТ401 имели входное сопротивление всего несколько десятков КОм.

Входное сопротивление, конечно, не достигает бесконечности, как у идеального операционного усилителя, но все равно настолько велико, что не оказывает влияния на уровни входных сигналов. Отсюда можно сделать вывод, что во входах ток не течет. Это один из главных принципов, применяемых при расчете и анализе схем на операционных усилителях. Пока его надо просто запомнить.

Последнее высказывание относится непосредственно к операционным усилителям. Такое высокое входное сопротивление присуще самому операционным усилителям, но входное сопротивление различных схем на его основе может быть намного ниже. Об этом обстоятельстве следует помнить всегда. А вот теперь будьте внимательны, начинается рассказ о самом главном.

Отрицательная обратная связь cвязь (ООС)

ООС это есть не что иное, как связь выхода с входом, при котором из входного сигнала вычитается часть выходного. Такая связь ведет к снижению усиления. В отличие от ООС существует положительная обратная связь (ПОС), которая наоборот суммирует входной сигнал с частью выходного. Такие связи применяются не только в электронной технике, но во многих других случаях, например, в механике. Воздействие этих обратных связей можно характеризовать так: ООС ведет к стабильности работы системы, положительная приводит к ее неустойчивости.

Применительно к операционным усилителям, о которых идет речь, ООС позволяет с достаточной точностью установить коэффициент усиления, а также приводит еще ко многим качественным и даже приятным улучшениям схемы. Но сначала надо разобраться, как работает ООС. В качестве примера рассмотрим схему, которую можно встретить в любом учебнике по автоматике.

Идеальный операционный усилитель

Выходной сигнал игнал U.вых. с выхода проходит на суммирующее устройство (кружок с плюсиком внутри) через цепь ООС с коэффициентом передачи β, в данном случае, меньше единицы. Если же этот коэффициент сделать больше единицы, что технически возможно, то вместо усиления сигнала получим его ослабление. Но пока будем считать, что нам требуется именно усиление.

Обрыв ООС это просто авария

Если петлю обратной связи разорвать, то напряжение на выходе операционного усилителя получится U.вых.=K*U.вх. Теоретически громадная величина. На самом же деле она будет ограничена величиной напряжения питания. Об этом было уже сказано ранее. Аналогичный пример: если это будет электродвигатель со стабилизацией оборотов (тоже обратная связь), то он просто разгонится насколько возможно. В таком случае говорят, что система пошла «вразнос».

Проходя через цепь цепь ООС, выходной сигнал ослабляется на величину β*U.вых. Поэтому до входа усилителя через сумматор доходит только (U.вх.-β*U.вых.) Знак «минус» говорит о том, что обратная связь отрицательная. После прохождения через устройство с коэффициентом усиления K на выходе получится U.вых.= K*(U.вх.-β*U.вых.). В свою очередь коэффициент усиления всей системы K.ус.=U.вых./U.вх. и получается, что U.вых.=K*

После некоторых преобразований можно получить такой результат: K.ус.=U.вых./U.вх.= K*U.вх./U.вх.*(1+ K*β)= K/(1+ K*β)

Все эти преобразования привели к несложной формуле K.ус.=K/(1+ K*β). Если предположить, что K в достаточно велик (а в случае с использованием операционного усилителя это действительно так), то единица в скобках особой погоды не сделает, ее можно отбросить, в результате чего формула примет следующий вид:

Полученная формула, (собственно из-за которой и был нагорожен весь забор из формул) позволяет утверждать, что коэффициент передачи операционного усилителя в схеме с обратной связью ни в коей мере не зависит от коэффициента усиления самого операционного усилителя, а определяется лишь параметрами цепи обратной связи, ее коэффициентом передачи β. Но, тем не менее, чем выше коэффициент усиления собственно операционного усилителя, тем более точные результаты дает указанная формула, тем стабильней работает схема.

Поэтому, каскады усиления на операционных усилителях не требуют настройки, как обычные транзисторные каскады: просто рассчитали резисторы обратной связи, спаяли, получили требуемый коэффициент усиления каскада. Как это делается, будет рассказано в следующей статье.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector