Классификация операционных усилителей (ОУ).

Устройство ОУ. Требования к ОУ.

1. ОУ общего применения

Применяют в РЭО, имеющим суммарную погрешность на уровне 1%. У них полностью отсутствуют или имеется малое число дополнительных внешних компонентов, частота единичного усиления невелика ( =1 МГЦ).

2. Прецизионные ОУ

3. Микромощные ОУ – малое потребление мощности от .

4.Быстродействующие ОУ - =10 МГЦ и увеличивается скорость нарастания.

По принципу действия ОУ:

· усилители напряжения;

· усилители мощности;

Современные операционные усилители (ОУ) выполняются двух каскадными, трехкаскадными. Входным каскадом служит дифференциальный каскад с большим коэффициентом усиления (дифференциального сигнала) , большим , КОСС, малочувствительным к дестабилизационным факторам.

Промежуточный каскад осуществляет усиление напряжения и тока ОУ, согласует входной и выходной каскады. Для увеличения коэффициента усиления по напряжению , часто используются динамические нагрузки.

Он может строится по симметричной и по несимметричной схеме.

Оконечный каскад ОУ должен обладать сравнительно большими входным сопротивлением, чтобы не перегружать промежуточный каскад, и малым выходным сопротивлением. Такие требования можно выполнить с помощью эмиттерных или истоковых повторителей. Однотактные эмиттерные или истоковые повторители имеют низкий КПД. В связи с этим выходные каскады выполняются двухтактными, работающими в режиме АВ.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполненных им функций. Одновременно улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и её изготовлению. Всё это объясняет разнообразие ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счёт ухудшения других.

Так в измерительной аппаратуре, используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, входным сопротивлением, малыми шумами и напряжением смещения . А быстродействующие ОУ должны обладать большой амплитудой нарастающего выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым (время установления выходного напряжения). Такие ОУ нашли применение в импульсных широкополосных усилительных устройствах, АЦП (аналого-цифровые преобразователи).

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.

Амплитудно-частотные, фазочастотные,

Амплитудные характеристики ОУ.

Так как все каскады ОУ имеют непосредственные (гальванические) связи, то АЧХ ОУ не имеют спада в области НЧ, а только в области ВЧ. Этот спад обусловлен ёмкостью монтажа усилителя и ёмкости переходов транзистора. С ростом частоты ёмкостное сопротивление ОУ падает, возникает ёмкостная составляющая сопротивления сигнала, что приводит к уменьшению переменного сигнала в нагрузке и коэффициента усиления:

где – коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя ОУ без обратной связи (ОС), f – рабочая частота, – граничная частота (коэффициент усиления падает в раз или на 3 дБ).

Если , то:

Для удобства, наглядности и компактности при построении АЧХ коэффициент усиления по напряжению измеряют в дБ, ачастоту откладывают в масштабах lg. Такая характеристика называется ЛАЧХ:

С пад принято выражать в дБ/октаву, дБ/декаду.

Октава - изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 2 раза.

Декада - изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 10 раза.

Рассмотрим спад ЛАЧХ в диапазоне: . Изменение коэффициента усиления будет равно:

Если f₂ =2f₁, то =20 lg(1/2)= -6 дБ (в 3раза)

Если f₂ =10f₁, то =20 lg(1/10)= -20 дБ (в 10раз)

20 дБ/декаду = 6 дБ/октаву

Рисунок 2.13 ФЧХ ОУ

ФЧХ описывается выражением:

Реальная ФЧХ отличается от идеальной незначительно (< 6^°). На частоте среза (граничной частоте) фазовый сдвиг составляет 45^°, а на частоте 10 сдвиг не превышает 90^°.

Рисунок 2.14 Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ (рис.5.3), представляют собой 2 кривые (инвертирующий и неинвертирующий входы). Режимам открытого или закрытого выходного каскада ОУ соответствуют горизонтальные участки характеристики и , близкие к . Наклонный участок кривых соответствует зависимости , угол наклона соответствует коэффициенту усиления по напряжению.

Инвертирующий усилитель

Так как операционный усилитель (ОУ) имеет большой коэффициент усиления по напряжению , то даже малое дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за ассиметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать смещение от 0 до . Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность усиливать. Кроме того зависит от температуры и .

Вследствие указанных причин ОУ почти всегда применяется с глубокой ОС, которая обеспечивает получение хорошей стабильности и нуля выходного напряжения. Чаще других применяются параллельная ООС по напряжению.

Рисунок 2.15 Схемы инвертирующего усилителя на базе ОУ с внешней ООС (без цепи питания и частотной коррекции)

Это базовая схема, на основе которой строятся почти все остальные. Название усилителя говорит о том, что входной сигнал должен подаваться на инвертирующий вход. Сигнал ОС тоже должен подаваться на инвертирующий вход (только тогда ОС à OOC). Также ОС оказывается параллельной и по напряжению.

Для идеального ОУ:

Учитывается также, что ограничено , и можно считать

Следовательно, ток , протекающий через резистор R1, равен току , протекающий через . Так как , то всё входное напряжение падает на резисторе R1:

а всё выходное напряжение падает на резисторе :

Отсюда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с ОС:

Входное сопротивление:

Выходное сопротивление: , так как даже без ОС ; кроме того, здесь ОС – отрицательная по напряжению, она понижает выходное сопротивление; глубина её бесконечна, так как

Уравнение показывает, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик самого ОУ. Знак “–“ указывает на инвертирование.

Недостатком инвертирующего усилителя является невысокое (на практике 10 кОм). Выбрать большим нельзя, так как необходимо увеличивать . При высокоомных , инвертирующий усилитель становится неустойчивым из-за влияния входной дифференцирующей ёмкости. Простейший способ снижения – подключение его к выходу ОС через делитель , .

Коэффициент передачи от входааменьше, чем к зажимам выхода. Благодаря этому при том же требуемое оказывается большим, что и повышает входное сопротивление.

Неинвертирующий усилитель

В этом усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ), а напряжение обратной связи (ОС – по-прежнему на инвертирующий вход через делитель , . Она оказывается последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. При упрощённом анализе схемы:

Напряжение обратной связи снимаемое с делителя , , пропорционально выходному напряжению:

Рисунок 2.16 Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку и подаются на разные входы операционного усилителя (ОУ), то для идеального операционного усилителя = и коэффициент усиления:

=> коэффициент усиления неинвертирующего усилителя больше, чем инвертирующего усилителя при одинаковых , , и глубине обратной связи (ОС). Это обусловлено тем, что в инвертирующем усилителе входное напряжение (U_ос) дополнительно ослабляется делителем , .

За счёт глубокой последовательной ООС и большого входного сопротивления операционного усилителя, входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется следующим выражением:

Его анализ показывает, что с уменьшением , возрастает и может составлять десятки ГОм.

Благодаря глубокой ООС по напряжению и при одинаковой её глубине выходное сопротивление в неинвертирующем и инвертирующем усилителях мало и не превышает десятки Ом.

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе уменьшается и при 100% ООС ( )коэффициент усиления неинвертирующего усилителя => неинвертирующий усилителе становится повторителем напряжения. Так, как в повторителе всё выходное напряжение подаётся на вход, то необходимость в , отпадает. Для входной цепи можно записать:

;

=> =>

т.к. велик, то стремится к нулю.

Раздел 2.2.2 Усилители на ОУ (Лекция 16, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе

2. Схемы усилителей переменного напряжения на операционном усилителе

Дифференциальный усилитель

Такой усилитель, как и ДК, предназначен для усиления разности двух входных напряжений, но в отличие от него охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС).

Рисунок 2.17 Схема простейшего дифференциальный

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 91011 12 13 14 Следующая ⇒