Основные параметры и характеристки

 

 

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход (два входных вывода) и один выход. Он предназначен для выполнения вычислительных операций в аналоговом виде путем охвата отрицательной обратной связью, причем влияние его параметров на результат выполнения операции пренебрежимо мало. Входные цепи операционного усилителя строят по схеме дифференциального (параллельно-балансного) каскада, и обладают всеми характеристиками последнего. Название «операционный» носит исторический характер, так как первоначальное применение таких усилителей связано с выполнением различных математических операций: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и др.

Условное обозначение и схема включения ОУ показаны на рис. 5.1. Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, поэтому питание усилителя осуществляют от двух источников питания Е_п1 и Е_п2. Один из входов усилителя (U _вх1) называют прямым (неинвертирующим), а второй (U _вх2) – инвертирующим. Увеличение (уменьшение) напряжения на прямом входе приводит к увеличению (уменьшению) напряжения на выходе усилителя. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по отношению к входному сигналу.

Большинство ОУ, выполняемых в интегральном исполнении, имеют три каскада усиления. Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада, в котором максимально компенсируется дрейф нуля. В качестве второго каскада часто используется дифференциальный каскад с несимметричным выходом. Третий (выходной) каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. В современных ОУ применяются достаточно сложные схемы дифференциальных каскадов. Дополнительные элементы обеспечивают повышение входного сопротивления, стабилизацию режима покоя, повышение коэффициента усиления и т.д.

Идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления K_U = U _вых / U _вх ® ¥ , большое входное сопротивление R _вх ® ¥ и малое выходное сопротивление R _вых ® 0. Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Система параметров, приводимая в справочниках, позволяет оценить эти свойства и определить режимы, в которых может использоваться ОУ.

Приведем некоторые основные параметры ОУ:

- коэффициент усиления K_U = U _вых / U _вх = (10³ ¸ 5 * 10⁵), где U _вх = U _вх1 - U _вх2. Наибольшее распространение получили ОУ, имеющие K_U = 2 * 10⁵;

- входное сопротивление R _вх = (1 ¸ 100) МОм;

- выходное сопротивление R _вых = (30 ¸ 300) Ом;

- сопротивление нагрузки R _н = (1 ¸ 10) кОм;

- напряжение питания Е_п = ± (3 ¸ 15) В;

- напряжение смещения U _см = (1 ¸ 100) мВ;

- ток, потребляемый от источника питания I _пот = (2 ¸ 20) мА.

На рис. 5.2, а приведена амплитудная характеристика ОУ.

Амплитудная характеристика представлена в виде двух кривых, относящихся к прямому входу U _вых = F ( U _вх1 ) и к инверсному входу U _вых = F ( U _вх2 ). Характеристики снимают, подавая сигнал на один из входов при нулевом сигнале на другом. На характеристиках можно выделить два участка: участок линейной зависимости выходного напряжения от входного (угол наклона характеристики на этом участке определяется коэффициентом усиления ОУ K_U = ∆ U _вых /∆ U _вх и усилитель работает в активном режиме) и участки насыщения, где выходное напряжение ОУ достигает своего максимального значения и и при дальнейшем увеличении входного напряжения не изменяется.

Максимальные значения выходного напряжения ОУ близки к напряжению источников питания (меньше Е_п на (1,5 – 2,5) В в зависимости от типа ОУ).

Линейные участки характеристик проходят через начало координат. Состояние, когда U _вых = 0 при U _вх = 0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U _вх = 0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля (U _вых = +∆ U _вых или U _вых = - ∆ U _вых). На рис. 5.2, б показан возможный вид амплитудных характеристик 1 и 2 реальных ОУ при входном сигнале, поступающем на прямой вход. Напряжение U _см, при котором U _вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое надо подать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U _см и ∆ U _вых связаны соотношением ∆ U _вых = K_U U _см.

Основной причиной разбаланса ОУ является существующий разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и, как следствие, температурный дрейф выходного напряжения. Входное напряжение смещения обусловлено различием входных токов смещения, наличие которых связано с конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих его входов включаются резисторы. При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и вызывает на выходе появление некоторого напряжения (разбаланса). Ввиду наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы на ОУ дополняют элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется путем подачи на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

По амплитудной характеристике ОУ рис. 5.2, а можно определить максимальное входное напряжение U _{вх. max}, при котором еще соблюдается пропорциональность между входным и выходным напряжениями ОУ (линейность характеристики). Зная максимальное выходное напряжение U _{вых. m} » 10 В, определим U _{вх. max}, положив коэффициент усиления K_U = 2 * 10⁵

U _{вх. max} = U _{вых. m} / K_U = 10 В/(2 * 10⁵) = 5 * 10 ^{- 5} В = 0,05 мВ.

Такое напряжение, по сравнению с напряжениями на входе схемы, построенной на основе ОУ, измеряемых единицами вольт, можно считать нулевым. Учитывая большую величину входного сопротивления ОУ, приближающегося к бесконечности, можно считать входной ток ОУ, равным нулю. Таким образом, можно ввести два, достаточно корректных допущения, существенно упрощающих анализ схем, построенных на основе ОУ:

1) K_{U ОУ} ® ¥ Þ U _вх.ОУ = 0;                                      (5.1)

2) R _{вх ОУ} ® ¥ Þ I _вх.ОУ = 0.                                        (5.2)

Операционные схемы

Широкое практическое применение ОУ в аналоговых схемах основывается на применении внешних отрицательных обратных связей. Этому способствует большое значение коэффициента усиления K_{U ОУ} ® ¥ , большое входное сопротивление R _{вх ОУ} ® ¥ и малое выходное сопротивление, что позволяет без заметной погрешности использовать соотношения (5.1) и (5.2).

Рассмотрим некоторые примеры построения аналоговых схем на ОУ, работающего на линейном участке амплитудной характеристики.

Инвертирующий усилитель. Инвертирующий усилитель (рис. 5.3) создается путем введения параллельной отрицательной обратной связи по напряжению с помощью резистора R _ос. Прямой вход ОУ соединяется с общим проводом. Входной сигнал подается на инвертирующий вход через резистор R 1.

Определим токи в элементах схемы. Для этого воспользуемся допущениями(5.1) и (5.2). Из допущения (5.1) следует, что входное напряжение приложено непосредственно к резистору R 1, поэтому по закону Ома

I ₁ = U _вх / R ₁ .

Резистор R _ос подключен к выходу ОУ, поэтому

I _ос = U _вых / R _ос .

Из второго допущения (5.2) следует, что ток из узла, соединяющего резисторы R 1 и R _ос в ОУ не ответвляется, поэтому

I _ос = I ₁ .                                (5.3)

Последнее соотношение позволяет составить выражение, из которого определяется коэффициент усиления инвертирующего усилителя по напряжению

K_{U и} = - R _ос / R ₁.

Знак «-» означает, что выходное напряжение инвертировано по отношению к входному.

Входное сопротивление схемы R _вх.и = R ₁ в соответствии с (5.1). Выходное сопротивление

при K_{U .ОУ} ® ¥ близко к нулю.

Неинвертирующий усилитель. Неинвертирующий усилитель (рис. 5.4) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, реализованную с помощью делителя на резисторах R _ос , R 1. Входной сигнал поступает на прямой вход ОУ.

Из первого допущения (25) следует, что

U _вх = U _вых R₁/(R₁+ R _ос ),

откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен

K_{U н} = 1+ R _ос / R ₁ .

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно входному сопротивлению ОУ, поэтому R _вх.и ® ¥ . Выходное сопротивление так же, как и у инвертирующего усилителя R _вых ® 0.

Инвертирующий сумматор. Схема инвертирующего сумматора (рис. 5.5) отличается от схемы инвертирующего усилителя числом параллельных ветвей на входе, равным количеству сигналов, предназначенных для сложения. Сопротивления резисторов R на входе принимают одинаковыми.

Входные токи с учетом первого допущения (5.1) равны

I₁=U₁/R, I₂=U₂/R, …I_n=U_n/R.

Выражение (5.3) в этом случае будет иметь вид

I _ос = I ₁ + I ₂ +…+ I_n ,

откуда следует

U _вых /R _ос = - (U₁/R+ U₂/R+…+ U_n/R)

или

U _вых = - R _ос /R(U₁+ U₂+…+ U_n ).

Неинвертирующий сумматор. Неинвертирующий сумматор выполняется по схеме рис. 5.6.

Из равенства нулю напряжений между входами ОУ (25) следует, что напряжение на прямом входе ОУ равно

U _пр = U _вых R₁/(R₁+ R _ос ).

При отсутствии тока по прямому входу (R_{вх ОУ} ® ¥) сумма входных токов I ₁ + I ₂ +…+ I_n = 0, т.е.

или

U₁+ U₂+…+ U_n = n U _вых R₁/(R₁+ R _ос ),

откуда получаем

U _вых = ( U ₁ + U ₂ +…+ U_n )( R ₁ + R _ос )/ nR ₁

Выбор параметров схемы производят, исходя из соотношения

( R ₁ + R _ос )/ nR ₁ = 1.

Интегратор (инвертирующий). Схема интегратора показана на рис. 5.7, а.

По аналогии со схемой инвертирующего усилителя (рис. 5.3) токи в элементах схемы R и C равны

i_R = u _вх /R = i_C = - C(du _вых /dt).

Решая это дифференциальное уравнение методом разделения переменных, получим

,

где U _вых.0 – выходное напряжение ОУ в момент t = 0. По сути дела это напряжение на конденсаторе в момент t = 0.

На рис. 5.7, б показаны временные диаграммы выходного напряжения интегратора при подаче на вход прямоугольного импульса напряжения. Временная диаграмма 1 соответствует нулевым начальным условиям, т.е. в момент подачи импульса напряжения на вход интегратора конденсатор С был разряжен до нуля. Диаграмма 2 соответствует ненулевым начальным условиям, т.е. в момент подачи импульса напряжения на вход интегратора на конденсаторе С было напряжение, равное U _вых.0.

Скорость изменения выходного напряжения интегратора (угол наклона диаграммы, крутизна) зависит от постоянной времени интегрирования t = RC, а также от амплитуды импульса входного напряжения.

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое операционный усилитель.

2. Приведите основные параметры и характеристики ОУ.

3. Приведите схему инвертирующего усилителя.

4. Приведите схему неинвертирующего сумматора.

5. Объясните принцип действия интегратора на ОУ.

Литература [1, 6, 7, 11].

 

 

6 Источники вторичного электропитания

 

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: