ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

компенсируют друг друга. В других случаях они складываются, и вы-

ходное напряжение ошибки является суммой составляющих U'выхош и

U''выхош.

Для установки нулевого уровня выходного напряжения операционного усилителя пользуют цепь регулировки нуля, состоящую из системы резисторов, подключенных к одному из входов операционного усилителя.

Промежуточный каскад – дифференциальный усилитель с симметричным выходом – обеспечивает необходимое усиление по напряжению всего операционного усилителя.

Схема сдвига потенциального уровня осуществляет изменение уровня постоянного напряжения на выходе промежуточного каскада до нулевого уровня, если дифференциальный сигнал на входах операционного усилителя отсутствует.

Выходным каскадом операционного усилителя является усилитель мощности, выполненный по схеме двухтактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме АВ.

Свойства выходного каскада определяют выходные параметры операционного усилителя: выходное сопротивление RвыхОУ, максимальный выходной ток Iвыхmax, измеряемый при максимальном выходном напряжении Uвыхmax. Иногда приводится минимальное сопротивле-

ние нагрузки Rн min Uвыхmax , где Uвыхmax – максимальное выходное

I

выхmax

напряжение, или уровень ограничения выходного сигнала. При двухполярном питании операционного усилителя имеются два уровня ограничения: положительный и отрицательный. Для большинства типов операционных усилителей имеем Uвыхmax = ±10 В.

Стандартные операционные усилители, выпускаемые промышленностью, имеют выходную мощность не более 50 мВт. В настоящее время разработаны мощные операционные усилители с выходной мощностью до нескольких десятков ватт.

К важным параметрам операционного усилителя, определяемым структурой и элементной базой операционного усилителя, также относятся:

коэффициент усиления по напряжению дифференциального сигнала KuОУ, большинство операционных усилителей имеет значение

KuОУ до сотен тысяч;

коэффициент ослабления синфазного сигнала Kослсф, определяемый как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного;

41

частота единичного усиления fT, т.е. частота, при которой схема теряет свои усилительные свойства (KuОУ=1);

скорость нарастания выходного напряжения VU ОУ – максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе операционного усилителя при подаче на входы скачка напряжения;

ток потребления операционного усилителя.

5.3 Области применения операционных усилителей

В зависимости от целевого назначения операционные усилители подразделяют:

на операционные усилители общего применения, предназначенные для использования в аппаратуре, где к параметрам усилителей не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента;

прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления;

быстродействующие, которые имеют большую скорость изменения выходного напряжения до 200–500 В/мкс и используются для построения импульсных и широкополосных устройств;

иногда в отдельную группу выделяют микромощные операционные усилители, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), которые удобно использовать в батарейной аппаратуре.

5.4 Линейные схемы на операционных усилителях

5.4.1 Инвертирующие усилители

Операционный усилитель как линейное устройство, обеспечивающее минимальные искажения входного сигнала, редко используется без обратной связи. Это объясняется тем, что из-за очень большого значения коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи, даже при сравнительно малом входном дифференциальном напряжении, выходное напряжение может достигать предельных значений (Uвыхmax), ограничиваясь и искажаясь. При использовании же отрицательной обратной связи можно подобрать необходимое значение коэффициента усиления операционного усилителя и обеспечить его стабильность в заданных пределах.

Инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рисунке 5.3, предназначен для усиления с минимальными искажениями сигнала, поступающего от источника EГ на инвертирующий вход операционного усилителя. Выходной сигнал усилителя имеет фазу, противоположную фазе входного.

42

Рисунок 5.3 – Инвертирующий усилитель

Усилитель охвачен параллельной отрицательной связью по напряжению, поэтому его входное сопротивление, измеренное в точках 12, определяется формулой

Для практических расчетов операционный усилитель можно считать идеальным, т.е. принять коэффициент усиления и входное сопротивление операционного усилителя стремящимися к бесконечности. Тогда сопротивление Rвх1–2 стремится к нулю, т.е. потенциалы точек 1 и 2 остаются одинаковыми при любых изменениях входного сигнала, обеспечивающих линейное изменение выходного сигнала. Так как точка 2 (неинвертирующий вход операционного усилителя) заземлена, то потенциал в точке 1 (на инвертирующем входе операционного усилителя) остается равным нулю при всех допустимых изменениях источника ЕГ. Следовательно, токи во входной цепи Iвх и цепи обратной связи Iос

Так как входное сопротивление операционного усилителя стремится к бесконечности, т.е. входной ток не ответвляется в цепь операционного усилителя (I=0), можно записать

откуда легко найти коэффициент усиления инвертирующего усилителя (см. рисунок 5.3).

43

Знак минус показывает, что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного. Как следует из полученного выражения, коэффициент Kuос определяется параметрами цепи обратной связи операционного усилителя и не зависит от параметров самого операционного усилителя.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя, измеренное в точке 1', определяется резистором R, так как точка 1' является точкой «кажущейся земли»:

Rвх ОУ R .

Для эффективного усиления напряжения необходимо выполнить условие RГ<<R, т.е. сопротивление R следует выбирать по возможности большим.

При этом, естественно, увеличивается сопротивление Rос в цепи

чиной. Однако увеличение сопротивления Rос приводит, в свою очередь, к возрастанию составляющей напряжения ошибки на выходе усилителя за счет протекания тока смещения Iб01 через резистор Rос.

Действительно, в режиме покоя оба вывода резистора R (точки 1' и 1) можно считать заземленными, т.е. ток Iб01 протекает только через резистор обратной связи Rос (рисунок 5.4а).

Следовательно, составляющая напряжения ошибки на выходе операционного усилителя с обратной связью за счет тока Iб01:

Формула для нахождения составляющей выходного напряжения ошибки U'выхош, определяемой входным напряжением смещения Uвхсм, имеет вид

Тогда суммарное напряжение ошибки на выходе усилителя (см. рисунок 5.4) определяется выражением

а

б

а – с обратной связью, б – без обратной связи

Рисунок 5.4 – Схемы инвертирующих усилителей

Влияние базового тока смещения IБ01 на выходное напряжение можно сделать минимальным, включив в цепь неинвертирующего входа усилителя резистор R2 (рисунок 5.4б). Тогда в режиме покоя (точка 1' заземлена) при отключенной цепи обратной связи (правый вывод резистора Rос заземлен) на входе 1 операционного усилителя будет действовать напряжение U1=R1||RосIб01, а на входе 2 – напряжение

U2=Iб02R2.

При условии R2=R1||Rос и равенстве базовых токов смещения Iб01=Iб02 будем иметь U1=U2, т.е. на входы операционного усилителя подается синфазное напряжение, при котором U'вых ош=0.

В реальных операционных усилителях базовые токи отличаются по величине, поэтому на входах усилителя появится дифференциаль-

45

ное напряжение, которое приводит к возникновению напряжения ошибки на выходе усилителя за счет разности базовых токов.

Приведем напряжение Uвх к входу 2, т.е. пусть Uвх=U2, U1=0. После замыкания цепи обратной связи на входе 1 установится напряжение обратной связи

ратной связью близко к нулю (потенциалы точек 1 и 2 всегда одинаковы).

Записав

Для большинства типов отечественных усилителей разность входных базовых токов примерно в 2–3 раза меньше, чем входной ток базы первого транзистора. Во столько же раз уменьшается составляю-

щая напряжения U''вых ош при включении резистора R2=R1Rос.

На практике сопротивление резистора Rос обычно не должно превышать значения 1 МОм, так как высокоомные резисторы имеют значительный разброс параметров, плохую стабильность при изменении температуры и влажности окружающей среды, ограниченную полосу пропускания из-за внутренних паразитных емкостей.

Задавая значение сопротивления Rос =1 МОм, коэффициент усиления операционного усилителя равный 50, и подразумевая, что RГ<<R1, определим суммарное напряжение ошибки, обусловленное

параметрами Uвхсм=9 мВ и Iразн=Iб1–Iб2= 200 нА на выходе инвертирующего усилителя, выполненного на микросхеме операционного усили-

теля типа К140УД7: Uвых ош 0,65 В.

При таком напряжении ошибки усилитель остается, как правило, работоспособным. В случае же искажения или даже ограничения полезного напряжения на выходе усилителя возникает необходимость в балансировке операционного усилителя. Если при заданном входном сопротивлении инвертирующего усилителя сопротивление резистора в цепи обратной связи Rос получается свыше 1 МОм, то используют схе-

46

му с Т-образной цепью обратной связи (рисунок 5.5), которая позволяет снизить номиналы резисторов обратной связи до приемлемого значения. Резисторы R'ос и R''ос образуют делитель напряжения с коэффициентом деления

поэтому лишь часть выходного напряжения передается по цепи обратной связи на инвертирующий вход. Записав Uа=UвыхYд и принимая R'ос<< R''ос, найдем коэффициент усиления в схеме (см. рисунок 5.5):

Таким образом, резистор R1 можно выбрать достаточно большим, так как необходимый коэффициент усиления может быть обеспечен при относительно небольшом резисторе Rос<1 МОм за счет выполнения условия R'ос<<R''ос. Составляющая напряжения ошибки в схеме (см. рисунок 5.5) за счет разности входных токов равна

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя очень мало, поскольку определяется также, как для усилителя с глубокой отрицательной обратной связью по напряжению.

На основе инвертирующего усилителя можно построить схему инвертирующего сумматора (рисунок 5.6), сигнал на выходе которого пропорционален алгебраической сумме входных сигналов.

Следует отметить, что источники входных сигналов практически не влияют друг на друга, так как замыкаются в точке 1 «кажущегося» нулевого потенциала, т.е. сигнал одного канала не проникает в другой.

Точность выполнения операций суммирования и усреднения во многом зависит от выходного напряжения ошибки, поэтому сумматор, как правило, нуждается в предварительной балансировке.

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе часто используется в автоматике как преобразователь «ток напряжение», у которого выходное напряжение пропорционально входному току. В этом случае источниками входного тока усилителя обычно являются фотодиоды, фотоумножители и другие элементы, имеющие большое внутреннее сопротивление RГ, в результате чего их выходной ток не зависит от нагрузки.

Схема преобразователя на операционном усилителе представляет собой обычный инвертирующий усилитель, в котором отсутствует резистор входной цепи. Тогда входное сопротивление усилителя стремится к нулю, что уменьшает погрешность преобразования тока источника в выходное напряжение схемы при конечном сопротивлении RГ источника.

В схеме, показанной на рисунке 5.7, выходное напряжение определяется соотношением

Uвых IRoc .

Рисунок 5.7 – Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе

Из формулы видно, что преобразование малых токов требует больших значений сопротивлений Rос, что, в свою очередь, приведет к возрастанию напряжения ошибки на выходе усилителя за счет входных токов операционного усилителя. Для уменьшения их влияния в цепь неинвертирующего входа операционного усилителя, включают резистор R2=Rос или проводят балансировку операционного усилителя.

48

ЛЕКЦИЯ 6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

6.1 Неинвертирующие усилители

Неинвертирующий усилитель на операционном усилителе представлен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 – Схема неинвертирующего усилителя

Полезный сигнал, подлежащий усилению, поступает на неинвертирующий вход 2. Пусть напряжение на входе 2 равно Uвх2=EГ. Тогда и на входе 1 установится напряжение Uвх1, близкое к значению EГ, так как входное сопротивление операционного усилителя при замкнутой цепи обратной связи Uвх1–2, измеренное между входами 1 и 2, близко к нулю, т.е. потенциалы точек 1 и 2 всегда одинаковы.

Таким образом,

откуда найдем коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по напряжению

KuОО Uвых 1 Roc .

ЕГ R

По отношению к неинвертирующему входу в схеме действует последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, увеличивающая входное сопротивление операционного усилителя в F раз, т.е. входное сопротивление неинвертирующего усилителя

49

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя меньше выходного сопротивления операционного усилителя на величину глубины обратной связи, т.е. очень мало

Rвых ОУ Rвых ОУ .

F

Если в схеме неинвертирующего усилителя положить сопротивление R стремящимся к бесконечности, Rос=0, то получим схему повторителя (рисунок 6.2) с единичным коэффициентом передачи и глубиной обратной связи, равной KuОУ. Таким образом, входное сопротивление повторителя

Rвх oc Rвх ОУ Ku ОУ ,

а выходное

Rвх oc Rвх ОУ Ku ОУ 0 .

Рисунок 6.2 – Схема повторителя

При использовании неинвертирующего усилителя для усиления переменного тока на входе обычно включается разделительный конденсатор для блокировки постоянной составляющей входного сигнала (рисунок 6.3). В этом случае необходимо включить и резистор R2 между неинвертирующим входом операционного усилителя и «землей», который образует цепь заряда и разряда конденсатора. Если резистор R2 отсутствует, конденсатор Cp не успевает перезаряжаться через

50