Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Определение и основные характеристики операционных усилителей

Операционный усилитель (ОУ) - это модульный многоканальный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

С идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: бесконечный коэффициент усиления по напряжению Кu , бесконечное полное входное сопротивление Rвх , равенство нулю выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе Uвых = 0 при Uвх = 0, бесконечно широкая полоса пропускания D f (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

Само название «операционный усилитель» связано с математическими операциями, которые в начале развития вычислительных устройств осуществлялись с помощью операционных усилителей (ОУ). Функции современных интегральных ОУ стали более универсальными, а сами ОУ, являясь источниками напряжения, управляемыми напряжением, находят широкое применение в устройствах современной электроники.

Интегральные ОУ используются в качестве инвертирующих и неинвертирующих усилителей и повторителей напряжения во многих электронных устройствах. На их основе создаются различные интеграторы, дифференциаторы и сумматоры; схемы умножения, деления, логарифмирования, антилогарифмирования. Различные функциональные преобразователи, схемы сжатия сигнала, источники постоянного тока и стабильного напряжения, компараторы, гармонические и релаксационные генераторы, активные фильтры и другие устройства в большинстве случаев реализуются на интегральных ОУ.

Условное обозначение ОУ показано на рисунке 1.1

усилитель входной амплитудный частотный

Рисунок 1.1- Условное обозначение ОУ

Один из входов усилителя (+) называется неинвертирующим, а второй
(-) или (o) - инвертирующим.

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

2. Устройства операционных усилителей

Блок - схема ОУ приведена на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 - Блок - схема ОУ

Большинство интегральных ОУ выполняется в виде многокаскадных усилителей, содержащих входной, промежуточные и выходной каскады. Входной каскад ОУ - это дифференциальный усилитель. Дифференциальный каскад имеет высокий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы).

Синфазными сигналами называются поданные одновременно на оба входа сигналы с одинаковой фазой и амплитудой.

Дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад ОУ является наиболее ответственным, так как им определяется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

Напряжение сдвига - это небольшие по величине нежелательные сигналы, которые возникают внутри усилителя и приводят к появлению некоторого напряжения на его выходе при нулевых напряжениях на обоих входах.

Причиной их появления является неточное согласование напряжений эмиттер-база входных транзисторов.

За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току. Усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току - для обеспечения тока, достаточного для работы оконченного каскада.

Выходной каскад должен обеспечить низкое полное выходное сопротивление ОУ и ток, достаточный для питания заданной нагрузки. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Питание схемы осуществляется от двух источников +Uип и -Uип с одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку. При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только выходного каскада, но и входного. Два источника питания позволяют увеличить входное сопротивление дифференциального каскада, так как при двух источниках питания можно обойтись без резисторных делителей в базовых цепях или цепях затворов входных транзисторов, уменьшающих входное сопротивление каскада.

Таким образом, интегральные ОУ должны иметь как минимум пять выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), выходной и два вывода для подключения источников питания. Помимо того у интегральных ОУ могут быть два вывода для балансировки и два вывода для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

3. Характеристики операционных усилителей

ОУ характеризуются следующими характеристиками:

- усилительными;

- входными;

- выходными;

- энергетическими;

- дрейфовыми;

- частотными;

- скоростными.

Усилительные характеристики. Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 103 до 107.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (Рисунок 1.3).

Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рисунок 1.3 - Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +Uвых (max), -Uвых (max). Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: Kuоу=Uвых /Uвх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики, представленные на рисунке 1.3, проходят через нуль. Состояние, когда Uвых = 0 при Uвх = 0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При Uвх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (Uвых = + Uвых или Uвых = - Uвых). Дрейфовые характеристики. На рисунке 1.4 показан вид передаточной характеристики реального ОУ.

Рисунок 1.4 - Передаточная характеристика реального ОУ

Напряжение Uсмо, при котором Uвых=0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо=Uвых/Кuоу. Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на рисунке 1.5, из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает.

Рисунок 1.5 - Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Входные характеристики. Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения - ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ. Он обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток сдвига - это разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов ОУ. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами без транзисторов при заземленных выводах, а при наличии каскадов на полевых транзисторах - токами утечки затворов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих входов включаются резисторы (Рисунок 1.6). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R1 и R2 будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызовет появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса).

Рисунок 1.6 - Схема появления разбаланса на выходе ОУ

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.Для защиты между входами ОУ включаются встречно - параллельно два диода и стабиллитрона.

Следует различать дифференциальное входное сопротивление т.е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими входами и землей.

Выходные характеристики. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики. Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики. Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Скоростные характеристики. Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (Рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Реакция ОУ на воздействие скачка напряжения на входе

Скорость нарастания выходного напряжения Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1Uвых до 0,9Uвых. Время установления выходного напряжения tуст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

4. Классификация ОУ

В результате поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, которые согласно квалификации по ГОСТ 4.465-86 делятся на:

- универсальные (общего применения), у которых Кu=103:105; f1=1,5:10 МГц;

- прецизионные (инструментальные), у которых Кu>0.5*106 и гарантированные малые уровни Uсм< 0,5мВ и его дрейфа;

- быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения Uвых > 20 В/мкс;

- регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот < 1мА;

- мощные и высоковольтные ОУ;

- многоканальные.

5. Разработки и анализа принципиальной схемы неинвертирующего усилителя на основе ОУ LF155_LT

Разработка принципиальной схемы. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на основе ОУ LF155_LT имеет следующий вид (Рисунок 1.8):

Рисунок 1.8 - Принципиальная схема неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связи

На рисунке 1.9 показан ввод параметров ОУ.

Рисунок 1.9 - Окно ввода параметров ОУ

Для анализа переходных процессов с изменением значения R1 выбираем меню «Анализ\ переходные процессы».

В окне «Анализ переходных процессов» задаем выводимые временные диаграммы и пределы изменения величин по амплитуде сигналов и времени. Для запуска расчета нижимаем RUN.

На рисунке 1.10 в качестве примера приведен результат моделирования для вышеприведенной схемы.

а)

б)

в)

Рисунок 1.10 - Этапы анализа переходных процессов: а) Окно для задания параметров переходного процесса; б) Окно для задания параметров шага и пределов изменения R1; в) Временная диаграмма переходного процесса

Построения и анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). Для построения АЧХ с изменением значения R1 выбираем меню «Анализ\ Частотные характеристики». В окне «Расчет частотных характеристик» задать выводимых данных АЧХ и пределы изменения величин по коэффициенту усиления и частоты сигнала. Для запуска расчета нажать RUN. На рисунке 1.11 в качестве примера приведен результат моделирования для вышеприведенной схемы.

а)

б)

в)

Рисунок 1.11 - Этапы построения и анализа АЧХ: а) Окно для задания параметров АЧХ; б) Окно для задания параметров шага и пределов изменения R1; в) Результат построения и анализа АЧХ

Передаточные характеристики по постоянному току.

Для построения передаточных характеристик по постоянному току с изменением значения R1 выбираем меню «Анализ\Передаточные характеристики по постоянному току».

В окне «Передаточные характеристики по постоянному току» задать выводимых данных передаточных характеристик и пределы изменения входного (Vin) и выходного (Vout) сигналов.

Для запуска расчета нажать RUN.

На рисунке 1.12 в качестве примера приведен результат моделирования для вышеприведенной схемы.

а)

б)

в)

Рисунок 1.12 - Этапы построения передаточных характеристик по постоянному току: а) Окно для задания параметров передаточной характеристики; б) Окно для задания параметров шага и пределов изменения R1; в) Результат построения и анализа передаточной характеристики

Список использованных источников

1. Антипенский Р.В. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств/Р. Антипенский, А. Фадин. - М.: Техносфера, 2009. - 128с.

2. Каримов И.К. Схемотехника: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 27.03.04 «Управление в технических системах» очной и заочной форм обучения. Петропавловск-Камчатский.: Камчатский государственный технический университет, 2016, - 68с

3. Новиков Ю.В. Введение в цифровую схемотехнику. - М.: Интернет-университет информационных технологий, Бином, 2007. - 343с.

4. Муханин Л.Г. Схемотехника измерительных устройств. Учебное пособие.- СПб.: Издательство «Лань», 2010.

5. Чье Ен Ун. Схемотехника: учебное пособие/ Чье Ен Ун. - Хабаровск: Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2007.-383с.

Размещено на Allbest.ur