Лекция 10 операционные усилители

ОУ обычно состоят из входного каскада, каскада сдвига потенциального уровня, выходного каскада.

- Входной каскад – обычно ДУ (ДК). Если коэффициент усиления ДУ недостаточен, используют дополнительные ДК с однофазным выходом.

- К выходу усилительного каскада подключается схема сдвига уровня, обеспечивающая на выходе потенциал, равный входному в отсутствие усиливаемого сигнала.

- Выходной каскад – это обычно усилитель мощности и одновременно в схеме осуществляется согласование усилителя с нагрузкой.

Для питания используют обычно 2 источника питания: +15 и –15 В. Для ОУ допускается подключение внешних цепей обратной связи.

Условные обозначения ОУ в схемах

Пример: 741

741741

У становка нуля   Пустой

И нвертирующий вход   +U (обычно +15 В) 3 +

Н еинвертирующий вход   Выход  2 - 6

- U (обычно –15 В)   Установка нуля 1 5

Передаточная характеристика идеального ОУ.

Выходное напряжение U₀

+U

рабочая область U₀=A_U0U  B

U=U₁-U₂,входное напряжение (диф.)

1-2 В

-U

Ширина рабочего линейного участка обычно невелика, поэтому для получения неискаженного выходного сигнала используют цепи обратной связи.

Идеальный ОУ имеет следующие характеристики:

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

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

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.

7. Характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения источника питания.

8. Полоса пропускания _ .

В ОУ реализуется отрицательная обратная связь.

Включение ОУ с обратной связью

Z_ос

U₂ Z_S

A_U0 U₀

U₁

U = U₂ - U₁ ; U₀ = A_U0  U. A_U0 – коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Величина A_U0 может быть много больше A_Uос, поэтому можно расширить динамический диапазон входного напряжения для линейного режима в схемах с ОС.

Коэффициенты усиления в схемах ОУ без ОС A_U0 сильно отличаются даже в одной партии схем (3:1 и даже 10:1), а также сильно зависят от частоты, нестабильности питания и т.д.

Цепи ОС позволяют сделать все эти параметры более стабильными, коэффициент усиления зависит только от точности подбора номиналов резисторов.

Параметры универсальных ОУ.

1. Коэффициент усиления по напряжению и фазовый сдвиг. A_U0 – порядка 100 000 до 1 000 000, чаще определяют в дБ, зависит от частоты, диапазон которой (полоса пропускания), обычно, 1 –10 МГц (_ср), когда усиление уменьшается до 1. Сдвиг по фазе = 90⁰ на частотах более вопрягающей (_ср) и растет далее до120-160⁰ по мере приближения к точке единичного усиления. Вводят понятие запаса по фазе: 180 - _ср 

2. Входной ток, входной ток сдвига, входной импеданс. Входной ток смещения I_вх – обычно порядка 80 нА – до единиц наноАмпер и пикоамперный диапазон для полевых входных каскадов. Входной ток сдвига – следствие разбаланса плеч ДК, составляет обычно 0,1*I_вх.

3. Входной диапазон синфазного сигнала. При номиналах питания 15 В, составляет 12 В. Определяются максимальные значения, превышение которых приводит к разрушению схемы, обычно, это сигналы порядка питающих напряжений.

4. Входной диапазон дифференциального сигнала. Обычно это величина 0,5 В. Не более, чем U_ИП.

5. Входной диапазон синфазного сигнала. При номиналах питания 15 В составляет 12 В. Определяются максимальные значения, превышение которых приводит к разрушению схемы, обычно, это сигналы порядка напряжения питания.

6. Входное напряжение сдвига U_см0 – величина входного напряжения для получения на выходе нулевого напряжения. Следствие разбалансировки. Если при нулевом входном сигнале закоротить входы, на выходе может быть сигнал, равный U_KK или U_ЭЭ, чтобы получить на выходе нулевое напряжение, на вход нужно подать некоторое U_см0. Типовая величина: 2мВ, но менее 6мВ, в прецизионных ОУ – 30 мкВ. Бывает предусмотрена «настройка нуля» потенциометром. Напряжение сдвига (смещения) 0 зависит от температуры и стабильности источника питания.

7. Выходное сопротивление, его зависимость от сопротивления нагрузки. Величина от 75 Ом до тысяч Ом в маломощных ОУ. Задают размах выходного напряжения и максимальный выходной ток (обычно около 20 мА). Размах выходного напряжения может быть на 2 В ниже U_KK и U_ЭЭ при нагрузке более 2кОм.

8. Входное сопротивление по дифференциальному сигналу 1-100Мом. Входной импеданс для ДК обычно определяется для диф. сигнала (один вход заземлен, импеданс меряют на другом входе), составляет  2МОм, на полевых приборах – более 10¹² Ом, минимальные величины – десятки кОм.

9. Входное сопротивление по синфазному сигналу  100 Мом.

10. Скорость нарастания. Обычно 0,5-1000 В/мкс. Минимальная скорость нарастания должна быть порядка 2Af в секунду, где А – амплитуда сигнала. Скорость измеряется при усилении, равном 1, в точке пересечения кривой выходного напряжения с осью абсцисс.

11. Полоса пропускания _0,7 = 100Гц – 100кГц, _Т 1-10 МГц .

12. Температурная зависимость параметров. Особенно важно учитывать ее для входного тока (напряжения) сдвига, остальные температурные изменения компенсируются цепями обратных связей.

13. КООС ( A_Uдиф/A_Uсинф при разомкнутой ОС) КООС = 60 - 120 дБ.

14. КОНП – приведенное ко входу изменение выходного напряжения при изменении напряжения источника питания на 1 В, КОНП = 5 - 60 мкВ/В.

15. Шумовые входные напряжение и ток.

16. В справочной таблице, кроме того, указываются следующие параметры: U_ИПmax, I_выхmax, T, P_рас.max, U _{вх.с/фmax}, U _{вх.дифmax}, I _потрmax, R_нагр  2 кОм.

Основные схемы включения ОУ.

 Типы обратных связей в усилительных схемах.

Обратная связь может быть положительной (ПОС) и отрицательной (ООС).

ОС поступает с выхода на вход. Соответствующий тип ОС смещает

область значений передаточной характеристики. U_вых

В случае ПОС с ростом А_U0ПОС может возникнуть

о бласть с отрицательным наклоном на передаточной ПОС U_вых=U_вх

характеристике.

ООС

U_вх

Различают ОС последовательного типа, если сигнал на вход подается по последовательной цепи с выхода.

усил. вых

в х ос

Вводятся понятия петлевое усиление F = U_OC/U_вых и глубина ОС = (1+FA_U0).

В схемах с ОС параллельного типа сигнал на вход подается параллельно со входа и выхода:

усил. Вых

в х i_вхус

Z_вх Z_OC

i_вх i_ос

Глубина ОС и петлевое усиление определяются аналогично предыдущему случаю и формулы для коэффициента усиления совпадают.

Типовые схемы ОУ.

При рассмотрении схем ОУ пользуются двумя упрощающими расчеты правилами:

1. выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между входами была равна нулю,

2. входы ОУ ток не потребляют.

Вводят вспомогательный уровень на входе ОУ U_A, который называется: квазиуровень 0, виртуальный ноль или мнимое заземление.

Инвертирующий усилитель. По способу включения ООС – это параллельная

ОС по напряжению, точка виртуального 0 – U_A.

+ выход

- U_вых

U_вх. R1 R_ос

U_A U_вых= -(R_ос/R1)U _вх

В данной схеме U_A = 0, поэтому на основании приближения идеальности усилителя (правило(2)) можно записать:

 Неинвертирующий усилитель. Это случай последовательной ООС по напряжению. По правилу (1) U_A = U_вх1. По второму правилу, раз ОУ не потребляет входной ток, можно записать:

U_A=U_выхR1/(R1+R_ос), I_R1 = I_ROC = I, U_вых = I(R1 + R_OC),

A_Uос=U_вых/U_вх=1+R_ос/R1. (*)

U_вх1 Вход +

выход

R1 U_A

-

- R_ос

Входной импеданс бесконечен, а выходной приближается к нулю.

В более общем случае:

U_{1 +}

М ожно ввести коэффициент обратной

с вязи: F = u_ос/u₀ = Z1/(Z1+Z2)

U₀ = A_0UU_i U_i U₀

U_i=U₁-U₂^'-U_ос = U₁-U₂^’-FU₀ U₂ -

U ₀(1+FA_0U) = A_0U(U₁-U₂^')

U₂^' = U₂[Z2/(Z1+Z2)] Z1 Z2

U ₀ = [A_0U/(1+FA_0U)](U₁-U₂^') = A_Uос(U₁-U₂^’)

U₂^'+u_ос

A_Uос = A_0U/(1+FA_0U)  A_0U/FA_0U = (Z1+Z2)/Z1 = =A_Uос=1+Z2/Z1.

Это соотношение получено для бесконечной величины A_0U.

Для случая конечной величины коэффициента усиления

U_i=U₀/A_0U, U₂^'=U₁-U₀/A_0U.

Используя уравнения узловых потенциалов:

(U₂-U₁+U₀/A_oU)Y1 = (U₁-U₀/A_0U-U₀)Y2,  U₀(Y2+Y2/A_0U+Y1/A_0U) = -U₂Y1+U₁(Y1+Y2).

.

По полученной формуле выходное напряжение в первой схеме (*)

U₀ = A_UосU₁ = (1+R2/R1)U₁. U₂=0. A_Uoc = 1/F = (Z1+Z2)/Z1.

 Повторитель.

U₁ вход + выход

-

Z_вх>>100 Ком, Z_0(вых)<<100 Ом, U₀  U₁

Суммирующий усилитель  Дифференциальный усилитель

+ U₀ U₂ R1 + U₀

R2

- -

U ₁ R1¹ R2 U₁ R1 A R2

U ₂ R1²

U₃ R1³

U₀ = -R2 K = R2/R1

 Интегратор  Дифференциатор

Фильтр нижних частот Фильтр верхних частот

+ +

U₀ U₀

R1 - U₁ C -

U ₁

C1 R2