Использование операционных усилителей в схемах с однополярным питанием

1. Теоретическая часть

Операционные усилители (ОУ) преимущественно используются в схемах с двухполярным питанием, поскольку входные и выходные сигналы ОУ чаще всего могут иметь как положительную, так и отрицательную полярность относительно общей шины схемы. В случае, если неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной, синфазное входное напряжение, вызывающее погрешность преобразования сигнала схемой на ОУ, отсутствует (рис. 1). Тогда выходное напряжение ОУ

Рис. 1. Инвертирующие включение ОУ с двухполярным питанием

Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной (рис. 2, а), то разность потенциалов VCФ между общей шиной и выводом источника входного сигнала влияет на выходное напряжение

Иногда это допустимо, но чаще выходное напряжение усилителя должно обязательно определяться только входным сигналом VIN. В таком случае ОУ используется в дифференциальном включении, причем на второй вход подается смещение, в точности равное VCФ (рис. 2, б). Напряжение VCФ существует в обеих входных цепях, и, следовательно, является синфазным входным сигналом.

Схема инвертирующего включения ОУ с однополярным питанием приведена на рис. 3. Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источника питания,как это обычно делается в случае двухполярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания.

Рис. 2. Неинвертирующее (а) и дифференцальное (б) включение ОУ с биополярным питание

Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет. Для нормальной работы с отрицательными входными сигналами в этой схеме следует использовать ОУ, допускающие соединение входов с шинами питания. Непременное требование соединения входов с общей шиной или другим опорным напряжением затрудняет построение схем на ОУ с однополярным питанием.

Рис. 3. Инвертирующее включение ОУ с однополярным питанием

Наиболее естественно использовать однополярное питание операционных усилителей тогда, когда источник входного сигнала однополярный, например, фотодиод (рис. 4). В других случаях могут использоваться различные способы смещения входных и выходных напряжений ОУ

Рис. 4. Схема включения ОУ с фотодиодом, работающим в режиме фотоэлемента

Схемы на ОУ с однополярным питаним

Схема линейного стабилизатора напряжения на ОУ с регулирующим транзистором, включенным по схеме с ОК, представлена на рис. 5, а.

Схема содержит ОУ, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения VREF и регулирующего п-р-п-транзи- стора VT, включенного последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение VOUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R1R2. ОУ играет роль усилителя ошибки. Ошибкой здесь является разность между опорным напряжением VREF, задаваемым источником опорного напряжения (ИОН) и выходным напряжением делителя R1R2

Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. При этом операционные усилители, рассчитанные на двухполярное питание +15 В можно использовать в схемах стабилизаторов со входным напряжением до 30 В. Стабилизируемое выходное напряжение ограничено снизу минимальным синфазным входным напряжением ОУ, а сверху -- суммой напряжения насыщения ОУ и напряжения насыщения база-эмиттер регулирующего транзистора, т. е. минимально допустимое напряжение вход-выход стабилизатора при применении обычных ОУ будет большим (около 3 В).

На рис. 5, б приведена схема стабилизатора с пониженным допустимым напряжением вход/выход (так называемый, LDO-стабилизатор). Здесь регулирующий транзистор включен по схеме с ОЭ, поэтому могут быть

Рис. 5. Линейные стабилизаторы напряжения

проблемы с устойчивостью [2]. Минимально допустимое напряжение вход/выход в этой схеме ограничено только напряжением насыщения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT.

Прецизионный выпрямитель

Схема измерения тока

Для измерения больших токов в линии, находящейся под относительно высоким потенциалом, может быть использована схема, представленная на рис. 15.

Рис. 15. Схема измерения тока

Ток, протекающий через нагрузку, создает напряжение VIN на шунте R^ который здесь является датчиком тока. Полагаем ОУ идеальным. Тогда через инвертирующий вход усилителя ток не течет, и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение VIN приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VT

Пренебрегая током базы транзистора, найдем выходное напряжение схемы

Именно по этой схеме выполнен измеритель тока фирмы BuRR-BRown INA168 (границы кристалла показаны на рис. 15 штриховой линией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения на шунте до 100. Ток, потребляемый микросхемой, составляет всего 50 мкА. Микросхема LT1787 аналогичного назначения построена симметрично, т. к. имеет в своем составе усилитель с дифференциальными входами и выходами и нагрузку в виде токового зеркала. Допустимое синфазное напряжение также 60 В. Динамический диапазон -- 12 бит (72 дБ). Микросхема измерителя тока МАХ471 имеет на кристалле шунтовой резистор, рассчитанный на ток до 3 А, а у МАХ4372 такого резистора нет, но зато ее погрешность преобразования не превышает 0,18%.

Цифро-аналоговый преобразователь с выходом в виде напряжения

Комбинация ЦАП с токовым выходом, например, 12-бит-ного AD754^ и ОУ с полным размахом показана на рис. 16. Здесь используется инверсное включение резис¬тивной матрицы R-2R. ОУ включен по схеме неинверти¬рующего усилителя с коэффициентом усиления 2. В ка¬честве источника опорного напряжения может быть использован TL431. Выходное напряжение схемы опре¬деляется формулой

где DI -- входной код.

2. Правила расчёта ОУ

В таких устройствах ОУ чаще всего включается по схеме, в которой режим по постоянному току задается с помощью делителя на резисторах Rl, R2, коэффициент деления которого R1/(R1+R2) обычно выбирается равным 0,5, чтобы рабочая точка находилась в середине амплитудной характеристики усилителя. Источник входного сигнала Ui подключается ко входу усилителя через разделительный конденсатор С. Для развязки цепей усилителя по переменному току от источника питания и в общем случае от других устройств, подключенных к этому источнику, используется блокировочный конденсатор СЬ (в данном случае его наличие не обязательно, поскольку источник питания является идеальным генератором напряжения и паразитная связь через его внутреннее сопротивление отсутствует). усилитель стабилизатор напряжение выпрямитель

По постоянному току усилитель охвачен 100-процентной отрицательной обратной связью (элементы обратной связи -- конденсатор Cos и резисторы Ro, Ros), т.е. на нулевой частоте его коэффициент усиления близок к 1. В полосе рабочих частот, на которых сопротивлением конденсатора Cos можно пренебречь, коэффициент усиления становится равным 1+Ros/Ro.

Проведем анализ схемы на рис. 2.48, коэффициент передачи которого в операторной форме может быть записан в виде:

где К(р) -- коэффициент передачи входной цепи, образованной разделительным конденсатором С и резисторами Rl, R2; К(р) -- коэффициент передачи собственно усилителя с учетом частотно зависимой отрицательной обратной связи; р -- оператор Лапласа.

Коэффициент передачи входной цепи определяется делителем, образованным конденсатором С и параллельно соединенными (по переменному току) резисторами Rl, R2 (входным сопротивлением ОУ пренебрегаем ввиду его большого значения по сравнению с Rl и R2), и равен:

При выполняющихся на практике условиях Кo>>1 и KoRo>>Ros (К. -- коэффициент ОУ без обратной связи) коэффициент передачи

Логарифмируя обе части выражения, получим

Как следует из (2.13), дальнейший анализ можно вести раздельно для каждой составляющей этого выражения. В частности, построение ЛАЧХ сводится к построению зависимости модуля каждого слагаемого от частоты, а затем к суммированию их ординат. Для упрощения операции суммирования ЛАЧХ каждого звена представляют в виде отрезков сопрягающихся друг с другом прямых. При этом вместо оператора р подставляют jw.

Для уяснения методики построения ЛАЧХ рассмотрим первую составляющую. Прежде всего для этого необходимо ввести замену

В таком случае выражение (2.11) преобразуется к виду

Модуль и аргумент этого выражения соответственно равны:

При упрощенном построении ЛАЧХ используются следующие допущения: если и этим членом можно пренебречь. Если , то пренебрегаем единицей, так как она значительно меньше члена . Соответственно в диапазоне частот, где коэффициент усиления (в дБ)

Таким образом, упрощенная ЛАЧХ может быть представлена в виде двух прямолинейных отрезков (асимптот), которые пересекаются при так называемой сопрягающей частоте, равной 1/Т. Наклон асимптоты (в дБ) можно находить, увеличивая частоту в два (на октаву) или в десять (на декаду) раз, т.е.

Таким образом, наклон 6 дБ на октаву эквивалентен наклону 20 дБ на декаду.

Наибольшая ошибка в 3 дБ при замене реальной ЛАЧХ на упрощенную имеет место при сопрягающей частоте. Вне интервала, равного двум-трем октавам вправо и влево, точные и приближенные ЛАЧХ совпадают. При этом ЛФЧХ является кососимметричной относительно точки сопряжения, в которой фазовый угол равен 45° (см. выражения (2.14) после подстановки значения сопрягающей частоты). ФЧХ строится в тех же координатах, что и ЛАЧХ, только по оси ординат откладывают фазовый сдвиг в градусах. В пределах одной декады в ту и другую сторону от частоты сопряжения фазовый сдвиг достигает соответственно 0 и 90' с погрешностью для рассматриваемого случая 5,7' и при дальнейшем изменении частоты остается практически неизменным.

Таким образом, если известно аналитическое выражение передаточной функции и его можно разложить на простые сомножители, то построение ЛАЧХ и ФЧХ не вызывает затруднений. Однако для устройств второго порядка возникают существенные затруднения.

Рассмотрим вторую составляющую выражения (2.13). Для этого в первую очередь произведем в (2.12) замену p=jw, после чего получим

Избавимся от мнимого члена в знаменателе, умножив числитель и знаменатель на . После несложных преобразований получим

откуда получаем выражения для АЧХ и ФЧХ в следующем виде:

Далее поступаем аналогично вышеописанному. На низких частотах, корда

В области средних и высоких частот , в таком случае

Для суммарной ЛАЧХ необходимо определить еще значение модуля в точке сопрягающей частоты, равной, как говорилось выше, 1/Т. После построения расчетной ЛАЧХ ее можно сравнить с результатами моделирования, для чего схема дополняется функциональным генератором и измерителем АЧХ-ФЧХ (рис. 2.16, а). Результаты моделирования приведены на рис. 2.16, б.

Рис. 2.16 Усилитель на ОУ с однополярным питанием(а) и его ЛАЧХ(б)

Заметим, что, кроме АЧХ и ФЧХ, на практике (чаще всего при анализе автоматических систем управления) используется амплитудно-фазовая характеристика в полярных координатах, которая строится следующим образом. При заданной частоте (начинают с самой низкой частоты, например нулевой) по ФЧХ определяют фазовый угол и откладывают его в виде угла от горизонтальной оси или по часовой, если он положительный, или против часовой стрелки, если он отрицательный. На полученном таким образом луче откладывают значение модуля коэффициента передачи для той же частоты, взятой из АЧХ. Затем переходят к построению следующей точки искомой характеристики.

3. Моделирование ОУ с однополярным питанием

3.1 ОУ с однополярным питанием

Исследование на ОУ с однополярным питанием проведём по схеме данной по заданию.

Выберем следующие параметры схемы:

R1=R2=100 kOm;

Ro=5 kOm;

Ros=10 kOm;

C=Cos=1 uF;

Cb=100 uF.

Рис.3.1.1 - ОУ с однополярным питанием

Используя блок body plotter снимем АЧХ вида:

Рис. 3.1.2 - АЧХ

3.2 Зависимость КП от отношения Ro/Ros

Для получения КП необходимо произвести измерения Uвх и U вых

Рис. 3.2.1 Подключенные мультиметров для Uвх и U вых

При стандартных значениях Ro и Ros получаем на Uвх =7.069V и U вых = 2.124V

Ro и Ros выставлялись значения от 500 Ом до 2 МОм. В случае изменения лишь Ro КП изменяется от 0.3 до 0.302. Изменения только Ros от 0.29 до 0.48*10^-4. В случае изменения Ro и Ros КП = от 0.39 до 0.375. То есть наивысшее изменение КП происходило при изменении Ros.

3.3 Определение полосы рабочих частот от отношения Ro/Ros

Полоса рабочих частот определяется по полученной АЧХ (рис. 3.1.2) следующим образом: на графике АЧХ находят максимальное значение N. Проводят через эту точку горизонтальную линию, параллельную оси частот. Это так называемая нулевая линия. Потом проводят другую горизонтальную линию, отстоящую от нулевой вниз на величину 1,0 дБ. Точки пересечения кривой АЧХ и этой линией и дадут искомые значения fн и fв для данного усилителя.

Рис 3.3.1 Максимальное значение АЧХ N

Рис. 3.3.2 Полоса рабочих частот min.

Рис. 3.3.3 Полоса рабочих частот max.

Со стандартными значениями Ro и Ros полоса рабочих частот равна 55,88 HZ - 17,449MHz

Ro =2kOm Ros =10kOm f=143Hz-8,9MHz

Ro =10kOm Ros =10kOm f=24Hz - 28MHz

Ro =15kOm Ros =10kOm f=15Hz - 31MHz

Ro =2MOm Ros =10kOm f=5Hz - 56Mhz

Ro =5kOm Ros =500Om f= 6Hz - 56MHz

Ro =5kOm Ros =2kOm f= 33Hz-40MHz

Ro =5kOm Ros =15kOm f=51Hz - 14MHz

Ro =5kOm Ros =2MOm f=50Hz - 183khz

Ro =1kOm Ros =100kOm f=234Hz - 707kHz

Ro =50kOm Ros =100kOm f= 8,6Hz-17,4MHz

Ro =200kOm Ros =80kOm f=5,7Hz - 40,5MHz

Ro =2MOm Ros =10kOm f=5Hz - 56Mhz

Из полученных результатов можно сделать вывод, что при максимальном измененье Ro получаем наибольший диапазон рабочих частот 5Hz - 56Mhz

3.4 Зависимость КП от отношения R1/R2

R1 =100kOm R2=1kOm КП = 0

R1 =100kOm R2=20kOm КП = 0,1

R1 =100kOm R2=50kOm КП = 0,2

R1 =100kOm R2=200kOm КП = 0,38

R1 =100kOm R2=1MOm КП = 0,3

R1 =1kOm R2=100kOm КП = 0

R1 =20kOm R2=100kOm КП = 0,11

R1 =50kOm R2=100kOm КП = 0,2

R1 =200kOm R2=100kOm КП = 0,39

R1 =1MOm R2=100kOm КП = 0,38

Со снятых результатов прослеживается прямая взаимосвязь между значениями R1 и R2. Максимальное значение КП получаем при 200 kOm.

Выводы

В результате выполнения курсового проектирования по предмету «Схемотехника аналоговых компонентов компьютерных систем» были рассмотрены следующие вопросы:

- ОУ и их назначение;

- основные сведения об ОУ на однополярном питание;

- порядок расчёта ОУ его КП и полосы рабочих частот.

Было выполнено моделирование на ОУ с однополярным питанием.

В результате моделирования были сняты амплитудно-частотные характеристики и сделаны выводы по зависимости Ro/Ros к КП и полосы рабочих частот.

На основании полученных результатов можно предположить, что проектирование было выполнено успешно.

Перечень используемых источников

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 2010. - 512 с.

2. Справочник по ОУ Пер.с англ../Д.Джонсон, Дж.Джонсон, Г.Мур. - М.: Энергоатоммиздат, 2008 - 128 с.

3. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и её преминение. - М.; Салон-Р, 2009, 506 с.

4. Методические указания по курсу «Схемотехника аналоговых».Раздел «ОУ». Для студентов заочной формы обучения. - Харьков, 2003 - 33 с.

5. Mancini R. Single Supply Op Amp Design Techniques / Application RepoRt SLOA030. -- Texas InstRuments IncoRpoRated. -- OctobeR 2009. -- 23 p.

6. Волович Г. Устойчивость линейных интегральных стабилизаторов напряжения. -- Схемотехника, 2011. № 11.

Размещено на Allbest.ru