Характеристика аналоговых микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналоговые микросхемы

1. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ )- это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Реальные операционные усилители обладают высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 105-106) и малыми выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В). Условное обозначение, принятое для всех типов ОУ, представлено на рис.

Условное обозначение операционного усилителя

Входы обозначают (+) и (--), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (--), и наоборот. Символы « +» и «--» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления.

Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необходимости будем изучать его более тщательно.

Промышленность выпускает буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают различными преимуществами друг перед другом. Повсеместное распространение получила очень хорошая схема типа LF411(отечественный аналог К140УД6), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов; ее внешний вид показан на рис. 2.

В дальнейшем в этой главе мы будем использовать схему типа LF411 как стандарт операционного усилителя. Схема типа 411 -это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполярный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор).

На рис. 3 показано соединение с выводами корпуса. Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляются в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «установка нуля» (или «баланс», «регулировка») служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе.

Назначение выводов микросхемы

2. Важнейшие правила

Познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило I:

I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах - порядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: правило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы несовместимо с правилом II.) Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно). Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях, в которых очень часто сам ОУ считается идеальным.

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики: операционный усилитель инвертирующий прибор

1. Входной импеданс (и для дифференциального, и для синфазного сигнала) равен бесконечности, а входные токи - нулю.

2. Выходной импеданс (при разомкнутой ОС) равен нулю.

3. Коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности.

4. Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

5. Выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение сдвига равно нулю).

6. Выходное напряжение может изменяться мгновенно (бесконечная скорость нарастания).

Перечисленные характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения питания.

Отличие характеристик реальных операционных усилителей от идеальных зависит от типа ОУ.

3. Основные предостережения при работе с ОУ

1. Правила I и II (сформулированные в разд. 4.2 справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, т. е. его входы и выходы не перегружены.

Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня UKK или. -Uэд. В то время, когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше диапазона питания на 2 В, хотя в некоторых ОУ размах выходного напряжения ограничен одним или другим напряжением питания).

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.

4. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.

4. Применение ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.4.4 а. На инвертирующий вход ОУ в этой схеме подается сигнал, определяемый суммой входного и выходного напряжений и делителем на сопротивлениях, R1 и R2. Так как неинвертирующий вход ОУ соединен с общим выводом, а Uдиф ? 0, то напряжение на инвертирующем входе также будет равно нулю. В результате для схемы рис.4.4 а можно записать уравнение

откуда находим коэффициент усиления усилителя:

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.4.4 б. В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение обратной связи с выхода ОУ. Поскольку напряжение между входами равно нулю, то на инвертирующем входе также будет напряжение

Таким образом, коэффициент усиления определяется формулой

В частном случае при R2=0 и любом значении R1, (кроме нуля) Получаем повторитель напряжения с коэффициентом передачи K=1.

Схемы интеграторов тока и напряжения приведены на рис. 4.5. Для схемы интегратора тока (рис.4.5 а) можно записать уравнения iвх=-iс , откуда получаем значение выходного напряжения

.

Аналогично, можно записать для интегратора напряжения (рис. 4.5 б) значение выходного напряжения, если учесть, что iвх=Uвх/R,

.

Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др. Так, например, в схеме логарифматора тока (рис.4.6) в цепи отрицательной обратной связи включен диод D.

Для этой схемы можно записать уравнения: iвх= -iд, uвых=uд. Учитывая связь между током и напряжением на диоде , получим значение выходного напряжения

.

Операционные усилители широко используются для построения разнообразных функциональных блоков, таких как активные фильтры, источники тока, стабилизаторы напряжения, генераторы сигналов различной формы, и многих других.

Библиографический список

1. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов.- 3-еизд.,перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991.- 592с.: ил.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И.Волощенко, Ю.Ю.Мартюшев, И.Н.Никитина и др.; Под ред. Г.Д.Петрухина.-М.:Изд-во МАИ, 1993.-416 сю: ил.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил.

4. Алексенко А.Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990.- 496 с.: ил.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ.- 4-е изд. Перераб. и доп.- М.: Мир,1993.- ил.

Размещено на Allbest.ru