Основные схемы включения ОУ.

ОУ относятся к ИМС малой степени интеграции. Однако наряду с некоторыми другими ИМС второй степени интеграции ОУ требуют иного подхода к проектированию содержащих их усилительных блоков.

ОУ имеет два входа: неинвертирующий ( + IN) и инвертирующий ( — IN). Положительное напряжение, приложенное к неинвертирующему входу, создает положительное напряжение на выходе, а приложенное к инвертирующему входу, создает отрицательное напряжение на выходе. Питание на ОУ подается от биполяр­ных источников, имеющих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжения V+ и V~. Размах выходного напряжения Uвых может изменяться от положительного до отрицательного значения, и ограничивается напряжениями источников питания. В типичных ОУ используются источники питания ±15 В, и размах входного напряжения должен ограничиваться ±10 В.

Рис. 1. 1. Условное обозначение ОУ.

ОУ имеют очень высокий коэффициент усиления, типичное значение которого составляет 200000, т. е. более 100 дБ. Это внутренний коэффициент усиления ОУ, называемый коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной связи, Аol. При реальной работе вводится отрицательная обратная связь, которая замыкает петлю обратной связи и значительно уменьшает коэффициент усиления.

Коэффициент усиления ОУ, Аol, определяется из соотношения

, (1.1)

где V_(+IN)-напряжение на входе +IN, V_(-IN)-напряжение на выходе —IN.

Поскольку Uвыхограничен источником напряжения, а Аol имеет очень большое значение, то разность напряжений U_(+IN) — U_(-IN) должна быть очень малой. Если же она велика, то ОУ будет заходить в область насыщения, что приведет к ограничению положительного и отрицательного значений его выходного напряжения.

Пример 1.1

Выходное напряжение ОУ ограничивается + 12 В. Определить максимальную разность напряжений между положительным и отрицательным значениями входных напряжений, если его коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи равен 150000.

Решение

Из (1.3) имеем

U_(+IN) - U_(-IN) = Uвых /Aol = 12 В/150000 = 80 мкВ.

Это напряжение так мало, что цифровые вольтметры, считывающие до трех десятичных разрядов, не смогут его обнаружить.

Виртуапьное заземление

Понятие виртуального заземления оказывает большую помощь в изучении ОУ. Из примера 1.1 следует, что разность напряжения на входах должна бытьочень малой, иными словами, U_(+IN) ≈ U_-IN. Это означает, что если один из входов подключен к земле, другой вход виртуально заземлен. Понятие виртуального заземления означает, что два входа являются в некотором приближении короткозамкнутой цепью в том смысле, что их напряжения должны быть одинаковыми. Входы ОУ не являются короткозамкнутой цепью в том смысле, что какой-либо ток может протекать между ними. Сопротив­ление между входами U_(+IN) и U_(-IN) поддерживается очень высоким, поэтому ток между ними практически отсутствует.

Инвертирующий усилитель

На рис. 1.2 приведена основная схема инвертирующего усилителя на основе ОУ. Входное напряжение подается на отрицательный вход через резистор R1, а резистор обратной связи Rf включен между входом и выходом. Читатель не должен путать входное напряжение схемы Vвх, которое подведено к R1, с напряжением на входах ОУ U_(+IN) или V_(-IN). В большинстве схем, включая и эту, они различны.

 

 

Рис. 1.2. Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления этой схемы очень легко вычислить с помощью понятия виртуального заземления. Так как напряжение положительного входа равно потенциалу земли, напряжение отрицательного входа также должно быть нулевым. Кроме того, ток, протекающий через R1 должен также протекать и через Rf, если предполагается, что входное сопротивление ОУ очень высокое. На основании принятых допущений можно записать:

 

(1.2)

Уравнение (1.2) показывает, что коэффициент усиления этой схемы опре­деляется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик ОУ. Это справедливо, если только ОУ не откажет полностью. Отрицательная обратная связь в этой схеме очень высокая, поэтому выходной сигнал обладает высокой стабильностью.

Пример 1.2

На рис.1.2 R1 = 5 кОм и Rf = 50 кОм. Коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи обратной связи равен 200 000. Если Vвх = 0, 5 В.

Определить:

а) коэффициент усиления;

б) токи i1 и i2;

 

 

 

 

Av = Rf/R1 – (Vвых /Aol)(l/R1 + 1/Rf). (1.3)

 

 

Выражение (1.3) является более точной формулой для определения коэффи­циента усиления. Из него следует, что коэффициент усиления зависит также от Аol. Однако при увеличении Аol второй член уравнения уменьшается и (1.3) упрощается до (1.2).

 

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель нельзя построить простым заземлением минусового входа и подачей входного сигнала на плюсовой вход, так как если Vвх и Vвых положительны, невозможно получить напряжение на выводе +IN ниже потенциала заземления. Однако неинвертирующий усилитель можно получить включением резисторов между входом и выходом, как показано на рис. 1.3. Для анализа этой схемы, предположим, что выходное напряжение равно V вых. Тогда

 

 

 

 

 

Рис.1.3. Неинвертирующий усилитель.

 

(1.4)

Пример 1.3

Напряжение Vвх = 0, 5 В подается на вход неинвертирующего ОУ (рис. 1.3). Определить выходное напряжение и напряжение на входе ( -IN), если R1 = 1 кОм и Rf = 4 кОм.

Суммирующий усилитель

Схема на рис. 1.4 является резистивной суммирующей цепью. Напряжение в точке А

 

(1.5)

Если R1 = R2 = R3 = R и VA поддерживается небольшим за счет выбора Ra « R, то (1.3) упрощается

 

(1.6)

 

 

 

Рис. 1.4. Резистивная суммирующая цепь. Рис.1.5. Суммирующий усилитель.

Таким образом, VA пропорционально сумме приложенных напряжений.

Уравнение (1.6) становится менее точным при более высоких напряжениях или при дальнейшем увеличении VА. К недостаткам схемы также следует отнести малое значение VA. Добавление ОУ значительно улучшает точность этой схемы.

Суммирующий ОУ показан на рис. 1.5. ОУ устанавливает входное напряжение, которое соответствует VA на рис. 1.4, равным потенциалу заземления. Выходной ток является суммой входных токов:

if= i1 + i2 + i3.

Если резисторы равны между собой и равны Rf, выходное напряжение будет равно Vi + V2 + V3.

Пример 1.4

В схеме на рис. 1.5

Если резисторы на рис. 1.5 не равны, схема называется масштабирующей, или весовой схемой суммирования. Выходные напряжения масштабируются весовым коэффициентом каждого резистора. Уравнение для масштабирующей схемы суммирования имеет вид:

Vвых = - if Rf = (i1+i2+ i3)Rf = Rf (V1 /R1 +V2 /R2 + V3/R3). (1.7)

Масштабирующая схема суммирования часто используется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), которые преобразуют цифровой сигнал на входе в аналоговый сигнал на выходе добавлением разрядов, преобразующих масштаб соответствующим весовым коэффициентом. Возможно, более прос­тым путем для выполнения этого является увеличение каждого резистора в два раза по сравнению с предыдущим резистором.

Пример 1. 5

В схеме на рис. 1.5

 

Повторитель напряжения

Повторитель напряжения - это схема ОУ, которая используется для раз­вязки входа и выхода, или нагрузки. Она работает как суперэмиттерный повторитель. Перечислим основные характеристики повторителя напряжения.

Отметим, насколько близко повторитель напряжения приближается к идеальному эмиттерному повторителю.

 

Характеристики ОУ

При анализе ОУ в предыдущем разделе и при рассмотрении некоторых его наиболее распространенных включений в схемы предполагалось, что ОУ имеет идеальные характеристики: высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи и высокое входное сопротивление. В этом разделе характеристики существующих ОУ изучаются более подробно.

На рис.1. 7 представлена упрощенная основная схема ОУ. Транзисторы Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель, a Q3 является стабилизиро­ванным источником постоянного тока. Наличие эмиттерных резисторов и стабилизированного источника по­стоянного тока создает высокое входное сопротивление ОУ. Транзисторы Q4 и Qs образуют промежуточный каскад усиления для увеличения коэффициента усиления ОУ. Транзисторы Q7 и Q8 управляются Q6 и формируют комплемен­тарный выход, который может быть как положительным, так и отрица­тельным. Схема подобна выходному каскаду усилителя мощности, но предназначена для создания комплементарного выхода, а не выхода по мощности.

Микросхема uА741 (обычно называемая просто 741) относится к не­дорогим и наиболее доступным существующим ОУ. Его характеристики приведены в перечне технических характеристик на рис. 1.8. Хотя 741 и не является самым лучшим или самым современным ОУ, он подходит для многих применений и широко используется.

 

 

На рис. 1.8, a показан 741 в корпусе. Микросхема 741С в DIP-корпусе с восемью выводами используется наиболее широко и внешне похожа на микросхему таймера 555. На рис. 1.8. (на второй странице технических характеристик) помещены принципиальная электрическая схема (слишком сложная, чтобы рассматривать ее здесь) и максимально допустимые параметры ОУ. На третьей странице (рис. 1.8.) даны электрические харак­теристики, которые будут рассмотрены в следующих разделах. На рис. 1.8. приведены частотные характеристики и некоторые тестовые схемы, а на рис. 1.8. - некоторые из наиболее важных графических характеристик.

 

 

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ uА741М И uА741С

 

 

 

Рис. 1.8. Технические характеристики ОУ uА741 (предоставлено фирмой Texas Instruments, Inc.)

 

 

Принципиальная схема

 

 

 

.

 

Рис. 1.8. (Продолжение.)

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. 49. Основные принципы разработки системы применения удобрений.
2. I. Основные подходы к определению и изучению культуры.
3. I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
4. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века
5. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века.
6. I. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ, ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ СФЕРЫ КУЛЬТУРЫ И ИСКУССТВА
7. II. 36. Основные задачи семеноводства.
8. II. Основные электромеханические процессы
9. II. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ВКР
10. IV. Основные направления исследования
11. V. ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКОНОМИКИ
12. А. Чертеж кинематической схемы электромеханического привода