3.3 Операционный усилитель

Малый коэффициент передачи является серьёзным недостатком рассмотренных ранее дифференцирующей и интегрирующей цепей. От этого недостатка свободны активные дифференцирующие и интегрирующие цепи на операционном усилителе (ОУ).

Рисунок 9 обозначения ОУ

Идеальный операционный усилитель без обратной связи имеет неопределенно большой дифференциальный коэффициент усиления К→∞. Другие параметры: R_вх →∞, R_вых→0; полностью симметричен, имеет неограниченную полосу пропускания.

Реальный ОУ имеет: коэффициент усиления К от 10³ до 10⁶, частоту единичного усиления f_ед (частота при которой коэффициент усиления ОУ равен К= 1) обычно составляет 0,5 – 10 МГц.

Зная частоту единичного усиления f_ед и коэффициент усиления реального ОУ можно легко определить частоту среза.

Методика построения ЛАЧХ ОУ

Достаточно знать частоту единичного усиления f_ед и коэффициент усиления К реального ОУ.

Решение: переведем коэффициент усиления в дБ

Перевести частоту единичного усиления в декады lgf_ед = дек

На верхних частотах ОУ, начиная с частоты среза f_с (точка излома ЛАЧХ ОУ), коэффициент усиления снижается из-за инерционности, т.е скорость спада АЧХ составляет -20 дБ/дек.

Далее отложить на графике рисунок 9 значение коэффициент усиления К и частоту единичного усиления f_ед. Провести прямую с наклоном -20 дБ/дек из точки f_ед в верх до пересечения с прямой по уровню коэффициент усиления К. И получаем ЛАЧХ ОУ.

Рис 10 ЛАЧХ ОУ

4. Алгоритм построения ЛАЧХ и ЛФЧХ полосового усилителя

Усилитель состоит из самого операционного усилителя с цепью отрицательной обратной связи и входной цепи. Построение ЛАЧХ всего устройства заключается в построении ЛАЧХ каждого звена в отдельности и получение общей характеристики с помощью их сложения.

Порядок построения лачх

1. Построение ЛАЧХ ОУ

2. Построение ЛАЧХ звена ООС

3. Построение ЛАЧХ входной цепи

4. Графическое суммирование ЛАЧХ

По общей ЛАЧХ можно составить уравнение коэффициента усиления усилителя.

4. Применение компьютерных программ для анализа электронных схем

Современные пакеты программ для автоматизации проектирования электронных устройств, включают все этапы их разработки – от синтеза принципиальных схем и топологии печатной схемы до анализа характеристик устройства с учётом возможного изменения параметров его элементов. Основные универсальные инженерные программы Elektronics Work Bench, MULTISIM, TINA, MATLAB и т.п. В частности, программа MULTISIM, включает в себя интегрированный пакет программ, включающий удобный графический ввод и построение электронной или электрической схем и Spise симулятор. Программа позволяет анализировать работу аналоговых и цифровых электронных схем. В пакет входят библиотеки элементов (диодов, транзисторов, ОУ, логические элементы, функциональные устройства), приборы для измерений тока напряжения, мощности, генераторы, осциллограф, измеритель частотных характеристик Боде-плоттер, логический анализатор и т.д.

После запуска программы появляется рабочее окно с линейкой диалога, панелью инструментов и ярлыками наборов элементов «Component».

Для создания схемы нужные элементы перетаскиваются в рабочее поле и устанавливаются в выбранном месте. Все элементы можно поворачивать для более удобного и наглядного расположения на рабочем поле. Для этого необходимо навести курсор на элемент, и нажать правую кнопку мышки. Появится меню, в котором надо выбрать опцию «90 Clockwise» для поворота на 90° по часовой стрелке или «90 CounterCW» для поворота на 90° против часовой стрелки, но только отсоединив от схемы.

Для соединения элементов проводниками необходимо подвести указатель мыши к выводу элемента, когда появится черная точка, обозначающая соединение. Затем указатель мыши подводят к выводу другого элемента до появления соединения. Можно изменить цвет проводника: щелкнуть мышкой по проводнику, появится окно, в котором щелкнуть на строчку «color» и выбрать цвет, щелкнув мышкой на нем.

Установить тип и параметры элементов (резистора, конденсатора, источников питания и т.п.) можно открыв окно диалога двойным щелчком мышки. Установить числовые значения параметров можно с клавиатуры или выбором из внутренней библиотеки номиналов.

Приборы амперметр и вольтметр находятся на панели инструментов. Выбрать «Place Indicator», в списке Family» открывшегося окна выбирается тип элемента «Voltmetr_V» -вертикальный или «Voltmetr_H» горизонтальный.

Инструменты – осциллограф, Боде-плоттер и т.д. находятся справа рабочего поля и в поле перетаскиваются с помощью мышки. Экраны приборов открываются двойным щелчком мышки. Необходимо проводить настройки инструментов, как на настоящих приборах.

Схему, показания приборов, инструментов, (характеристики с осциллографа, Боде-плоттера) можно распечатать, перенести в текстовый или графический редактор.

4 Методические указания

Пример. Дано:

С1 мкФ	С2 мкФ	С3 мкФ	R1 кОм	R2 кОм	R3 кОм	Параметры ОУ Коу и fед
1	6	0.36	20	2	100	106 , 105 Гц

1. Построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) операционного усилителя с заданными параметрами.

Например, параметры ОУ: К = 10⁶ (коэффициент усиления ОУ); f_ед = 10⁵ Гц (частота единичного усиления);

Решение: переведем коэффициент усиления в дБ:

Прологарифмируем частоту единичного усиления ОУ:

lgf_ед = lg10⁵ = 5 дек

Построение ЛАЧХ согласно методике пункт 3.3. Полученная ЛАЧХ ОУ, показана на рисунке 13.

Рисунок 13 ЛАЧХ ОУ

4.2 построить ЛАЧХ входной RC

Входная цепь C₁R₁ рисунок 14 проектируемого усилителя.

Рисунок 14 входная цепь

Значение C₁ и R₁ входной цепи задают по условию.

Коэффициент передачи входной цепи

Частота точки излома ЛАЧХ входной цепи:

Определяется постоянная Т_о = R₁· С₁ следовательно f_о = 1/2πТ_о

Построение ЛАЧХ входной цепи в соответствии с методикой пункт 3.1

Перевести частоту в декады lgf_о - дек (рисунок 15).

Рисунок 15 ЛАЧХ входной цепи

4.3 Построение ЛАЧХ звена отрицательной обратной связи

Рисунок 16 Звено ООС

Коэффициент передачи звена ООС:

Обязательное выполнение условия при расчётах С3 << С2

Определить постоянные времени:

где (12)

Общая формула коэффициента передачи звена ООС имеет вид:

(13)

Пусть Т₃ > Т₁ > Т₂ > Т₄, тогда ω₃ < ω₁ < ω₂ < ω₄

Анализируется уравнение (13), т.е.поведение ЛАЧХ звена ООС и отдельно строится ЛАЧХ каждого множителя уравнения коэффициента передачи β:

На участке ω < ω₃ коэффициент передачи звена ООС β = 1 (прямая по оси рисунок 17 );

На участке ω₃ < ω < ω₁; , наклон ЛАЧХ -20 дБ/дек;

На участке ω₁ < ω < ω₂ , β = const;

На участке ω₂ < ω < ω₄ jωT << 1, тогда , наклон ЛАЧХ будет +20 дБ/дек;

На участке ω>ω₄ β =1, прямая по оси.

Рисунок 17 ЛАЧХ ООС

Расчет точек излома ЛАЧХ:

, где T_j – рассчитываются по формулам (12)

прологарифмировать полученные частоты , т.е. перевести в декады (дек)

4.4 Построение результирующей ЛАЧХ усилителя

Общий коэффициент усиления рассчитывается

При построении общей ЛАЧХ, суммируются характеристики ОУ, звена ООС и входной цепи:

Так как используют «глубокую» ООС, то коэффициент передачи звена ООС определяется:

Строится - «зеркальная» ЛАЧХ звена ООС рисунок 18.

Рисунок 18 «Зеркальная» ЛАЧХ звена ООС

4.5 Построение ЛАЧХ усилителя с учетом ООС

Рисунок 19 Сложение частотных характеристик ОУ и

Операционный усилитель всегда ограничивает ЛАЧХ на высоких частотах f_ед рисунок 19.

4.6 Построение общей ЛАЧХ усилителя

Рисунок 20 Общая ЛАЧХ усилителя