Операционные усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Операционные усилители

Операционные усилители. Свойства и характеристики

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

Uвых = U1 - U2

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Свойства:

1. Напряжение выхода определяется разбалансом входов.

1.1.

1.2

Потенциал прямого входа примерно равна потенциалу инверсного входа.

Практическое отсутствие входного тока

Суммирование аналоговых сигналов с помощью операционного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

(относительно земли) поэтому в силу 1.2 ОУ делает

т.с. - точка суммирования

=0

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя (рис. 1). Поскольку эта точка является виртуальным нулем, то на основании 1-го закона Кирхгофа при нулевых входных токах идеального ОУ получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:

По I закону Кирхгофа

Это уравнение утверждает, что равно сумме входных напряжений (инвертир. ) сумма и умножение на постоянный коэффициент.

Коэффициенты эти равны отношениям сопротивлений

R1 - R3 - решающие цепи

Полученная схема умеет складывать сигналы, инвертировать и умножать на постоянные коэффициенты

Пример:

Размещено на http://www.allbest.ru/

R3 = 10 к Ом; R1 = 5 к Ом

К = = - 2

max вырост

Повторитель напряжения и релаксационные генераторы на операционных усилителях

Повторитель напряжения

Рис б 15 Повторитель

(Схема получается простым замыканием ОУ с его инвертирующим входом Uвых=Uвход)

Особый случай неинвертирующего усилителя -- повторитель напряжения (или просто повторители) (рис. 6.15) -- самая простая операционная схема. Ее цепь обратной связи -- это просто отрезок провода, соединяющий выход ОУ с его инвертирующий входом. Выходное напряжение Uвых является точной копией входного напряжения Uвх на более высоком уровне по мощности;

Uвых=Uвход

Единичный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление позволяют рассматривать повторители напряжения как идеальный буферный усилитель (трансформатор полного сопротивления).

Релаксационные генераторы

Релаксационными называют генераторы, у которых регулирующий (усилительный) элемент работает в переключательном (релейном) режиме. Основой релаксационных генераторов на ОУ является обычно регенеративный компаратор, называемый также триггером Шмитта. Регенеративный компаратор представляет собой операционный усилитель с резистивной положительной обратной связью (рис. 32).

Рис. 32. Триггер Шмитта неинвертирующий (а) и инвертирующий (б)

Переходная характеристика компаратора имеет гистерезис, ширина которого равна удвоенному пороговому напряжению 2Uп, причем для схемы на рис. 32а, (36)

а для схемы на рис. 32б (37)

где Uм - выходное напряжение насыщения усилителя.

Основные элементы Р. г. -- реактивный накопитель энергии (ёмкостный или индуктивный) и нелинейный элемент с вольтамперной характеристикой, имеющей падающий участок, благодаря чему такой элемент приобретает гистерезисные свойства. Наличие этих свойств обусловливает чередование двух основных стадий работы Р. г. -- стадии запасания в накопителе энергии от питающего источника постоянного тока (напряжения) и стадии релаксации, когда накопитель освобождается от значительной части энергии (она рассеивается в нелинейном элементе др. активных элементах Р. г., например резисторах).

Ограничение выходного сигнала операционного усилителя. Компараторы

Нелинейные эффекты:

Насыщение -- ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания

Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1ч100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

операционный усилитель аналоговый сигнал

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ выходное напряжение находится в пределах от VS? +0,5 В до VS+ -2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм, эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

Ограниченный выходной ток

Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока -- типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Ограниченная выходная мощность.

Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Компараторы

Компаратор (аналоговых сигналов) -- электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.

Выходной каскад компаратора выполняется соместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т.п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трехвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило - +5В или 0). Трехвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счет чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Uвых имеет роль логического сигнала фиксирующего знак разности между Uвх и Uср

Пример: серия ТТЛ

Логическая 1 > + 5В

Логически 0 > 0В

VД1 КС 153 Uстаб = 5,3 В

Итак, компаратор сравнивает Uвх и Uср , и использует как промежуточное устройство между аналоговыми и цифровыми частями системы.

Uвых играет роль логического сигнала, фиксирующего знак разности между Uвх и Uср.

Uстаб выбирается выбором стабилитрона VД1 так, чтобы оно соответствовало 1 в цифровой части системы.

В распространенных микросхемах ТТЛ (транзистор - транзистор - логика) логическая 1 > + 5 В ± Д ; логический 0 > + 0 В ± Д .

Здесь подойдет стабилитрон VД1 КС 15 это был пример.

Нуль - орган, т.к.меняет состояние выхода при 0 суммы входных сигналов

Кстати, по напряжению в ТС можно определить исправность ОУ.

Если осциллограф скажет, что потенциал цтс ? цземли , то, скорее всего, операционный усилок сдох.

Размещено на Allbest.ru