Микроэлектроника и микросхемотехника
Содержание:
Определение операционного усилителя. Классификация ОУ.
Структурные схемы операционных усилителей.
Основные параметры ОУ.
Общие сведения о цифро-аналоговых преобразователях.
Схемотехника ЦАП с взвешенными резисторами.
Схемотехника ЦАП с использованием матрицы R-2R.
Последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.
АЦП последовательных приближений.
Параллельные АЦП.
Последовательно-параллельные АЦП.
1. Определение операционного усилителя. Классификация оу.
Операционным называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схеме с обратной связью. Однако область применения ОУ, выполненного в виде микросхемы, гораздо шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему усилитель постоянного тока, позволяющий строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включен.
Рис. 1 Условные обозначения операционных усилителей
На Рис. 1 представлено условное графическое обозначения операционных усилителей. Вход, обозначенный плюсом, называется неинвертирующим, минусом -инвертирующим. Обычно на ОУ подают положительное и отрицательное напряжения питания. В дополнение к перечисленным выводам в некоторых типах ОУ предусмотрены выводы для подключения цепей коррекции частотной характеристики (FC) и установки нуля выходного напряжения (NC). Операционный усилитель имеет ряд достоинств, обеспечивающих ему широкое применение. Во-первых, ОУ чрезвычайно чувствителен к разности напряжений, подаваемых между его инвертирующим и неинвертирующим входами (дифференциальное входное напряжение), и нечувствителен к изменениям напряжений, подаваемых на оба входа и одинаковых по абсолютной величине и полярности (синфазное входное напряжение). Во-вторых, операционный усилитель имеет очень большое входное сопротивление и не оказывает влияния на схемы к которым он подключен. И в-третьих, операционный усилитель без обратной связи имеет очень большой коэффициент усиления по напряжению, и благодаря этому при включении обратной связи свойства усилителя определяются только цепью обратной связи и не зависят от самого усилителя.
1.1Классификация оу.
Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, значения которых варьируются в широких пределах в зависимости от предъявляемых к ОУ требований. Учитывая это, естественно классифицировать усилители по значению наиболее важных параметров. Нередко делят ОУ на прецизионные, или усилители высокой точности(УВТ), усилители средней точности(УСТ) и усилители малой точности (УМТ), разбивая их параметры на три класса.
Однако для разработки ОУ недостаточно классификации по параметрам. Необходима классификация по принципам построения или структурным схемам ОУ. Такая классификация приведена на рисунке 1. Все усилители делятся на ОУ с дифференциальным входом(ДОУ) и ОУ только с инвестирующим входом(Ин ОУ). Каждая группа может быть построена без преобразования сигнала(ОУ БП) и с преобразованием сигнала(ОУ ПС). Преобразование сигнала может быть реализовано в схемах с однократной модуляцией и демодуляцией(ОУ МДМ-1) или с двукратной(ОУ МДМ-2), с управляемыми генераторами(ОУ УГ), а также с периодической компенсацией дрейфа(ОУ ПКД). Каждый из перечисленных классов ОУ может выполняться с применением параллельного высокочастотного канала(ВЧС) или без него. Кроме того, ОУ могут быть выполнены либо как преобразователи напряжения в напряжение, т. е. без повторителя тока(ПТ) на входе, либо как преобразователи тока в напряжение с ПТ на входе.
Операционные
усилители без преобразования сигнала
просты, удобны для интегральной технологии
изготовления и потому получили наибольшее
распространение. Их, в свою, очередь
можно разбить на различные подгруппы
в зависимости от построения входных и
выходных каскадов. Наиболее часто их
делят по типу входных транзисторов на
ОУ с обычными биполярными транзисторами,
с транзисторами «супер -
»(со
сверхвысоким усилением по току), с
полевыми транзисторами с p-n
- переходом и ОУ с МОП - транзисторами.
Операционные усилители БП всех этих
подгрупп имеют высокое применение:
первых двух - благодаря простоте
изготовления и низкой стоимости, вторых
двух - благодаря сочетанию сравнительно
малого входного тока с малым дрейфом
нуля. Операционные усилители с полевыми
транзисторами обладают еще меньшим
IВХ, особенно с МОП
- транзисторами на входе, они позволяют
также иметь большую VМАКС,
но по дрейфу ЕСМ значительно
уступают первым двум группам.
Усилители с дифференциальным входом обладают существенно большими функциональными возможностями, чем только инвертирующие. Однако ДОУ не могут полностью заменить Ин ОУ, так как последние позволяют получать большее быстродействие и лучшую стабильность.
Операционные усилители с преобразованием сигнала обычно сложней и дороже, чем ОУ БП, но они необходимы для обеспечения минимальных значений дрейфа и низкочастотных шумов. Причём ОУ МДМ-1 позволяют обеспечить минимальный дрейф нуля, но они имеют больший уровень шумов, чем ОУ МДМ-2. Операционные усилители с управляемыми генераторами имеют преимущества при обеспечении высокого входного сопротивления, малого входного тока и при гальванической развязке цепей. Операционные усилители с периодической компенсацией дрейфа по электрическим параметрам несколько уступают ОУ МДМ-1, но оказываются более технологичными по реализации по полупроводниковой интегральной технологии.
Усилители с ВЧК по сравнению с одноканальными(без ВЧК) позволяют получить больший запас устойчивости, увеличить частоту среза и максимальную скорость нарастания сигнала.
Для получения минимального времени установления выходного напряжения с заданной погрешностью существенными преимуществами обладают ОУ с повторителем тока на входе.
На входе бывает:
БТ супер-бетта - Uсм малое
ПТ и МОП Iвх малые
Классиф по параметрам ОУ:
ОУ общего назначения (универсальные)
Быстродействующие
Прецизионные
Микромощные – оптимизир по потребл. току и по мощности, но уменьшение токов ведет к уменьшению быстродействия
Мощные и высоковольтные – с повыш напр питания или повыш вых током
Многоканальные – в одном корпусе неск усилителей
Так же выдел ОУ работ с однопол ист питания