Операционные усилители

Содержание:

 Введение……………………………………………………………………………………..5

                          1. Операционные усилители

1.1.Общие сведения…………………………………………………………………………6

1.2. Идеальный операционный усилитель………………………………………………...8

1.3. Основные схемы включения  операционного усилителя…………………………...9

      . Дифференциальное  включение ……………………………………………….9

      . Инвертирующее включение  ………………………………………………….10

      . Неинвертирующее  включение ……………………………………………….11

1.4. Внутренняя структура операционных  усилителей ………………………………..11

1.5. Стандартная схема операционного  усилителя …………………………………….14

1.6. Схема замещения операционного  усилителя ………………………………………16

      . Входное сопротивление  схемы ……………………………………………….17

      . Выходное сопротивление  схемы ……………………………………………..17

1.7. Коррекция частотной характеристики  ………………………………………………17

      . Полная частотная  коррекция ………………………………………………….20

      . Подстраиваемая  частотная коррекция ………………………………………..21

      . Скорость нарастания  …………………………………………………………...23

      . Компенсация емкостной  нагрузки …………………………………………….23

1.8. Параметры операционных усилителей  ………………………………………………24

      . Динамические параметры  ОУ ………………………………………………….27

1.9. Типы операционных усилителей  ……………………………………………………..27

                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Операционный  усилитель – универсальный функциональный  элемент,  широко используемый   в   современных   схемах   формирования   и    преобразования информационных сигналов различного назначения, как  в  аналоговой,  так  и  в цифровой технике.

    Наименование  «операционный  усилитель»  обусловлено  тем,  что,  прежде всего  такие  усилители  получили   применение   для   выполнения   операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования,  инвертирования и т. д. Операционные  усилители  были  разработаны  как  усовершенствованные балансные схемы усиления.

 

    Усложнение  схем  операционных  усилителей  (современные   операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек:  регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование  генераторов  стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу  возможных применений операционных усилителей.

    Информация, изложенная выше, показывает целесообразность изучения  принципов  построения, особенностей работы  и  применения  операционных  усилителей  как  элементов различных устройств и систем обработки информационных сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения

 

  Операционный усилитель (ОУ) предназначен  для  выполнения  математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый  ламповый  ОУ  K2W  был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились  в продаже в 1959 году.  Р.Малтер  (США)разработал  ОУ  Р2,  включавший  семь германиевых  транзисторов  и  варикапный  мостик.  Требования  к  увеличению надежности,  улучшению  характеристик,   снижению   стоимости   и   размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были  разработаны  в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый  интегральный  ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963  году.

В настоящее  время  номенклатура  ОУ  насчитывает  сотни  наименований.  Эти усилители  выпускаются  в  малогабаритных  корпусах  и  очень  дешевы,   что способствует их массовому распространению.

  ОУ представляют собой  усилители медленно изменяющихся  сигналов с  низкими значениями  напряжения  смещения  нуля  и  входных   токов   и   с   высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются  от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой  на  ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей  усилителя и  отличается  высокой  стабильностью  и  воспроизводимостью.  Кроме   того, благодаря практически  идеальным  характеристикам  ОУ  реализация  различных электронных  схем  на  их  основе  оказывается  значительно  проще,  чем  на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные  транзисторы  в качестве  элементов  схем  ("кирпичиков")  во  многих  областях   аналоговой схемотехники.

 

 

  На рис.1 приведена схема  ОУ.  Входной  каскад  его  выполняется  в  виде дифференциального  усилителя,  так  что  операционный  усилитель  имеет  два входа. В дальнейшем будем,  при  необходимости,  обозначать  неинвертирующийвход буквой p  (positive  -  положительный),  а  инвертирующий  -  буквой  n (negative - отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной  фазе с разностью входных напряжений:

                               Uвых = U1 - U2

                                    [pic]

                           Рис. 1. Обозначение ОУ

  Чтобы обеспечить возможность  работы ОУ как  с  положительными,  так  и  с отрицательными  входными  сигналами,   следует   использовать двухполярное питающее  напряжение.  Для   этого   нужно   предусмотреть   два   источника постоянного тока, которые, как  это  показано  на  рис.  1,  подключаются  к соответствующим  внешним  выводам  ОУ.  Обычно   интегральные   операционные усилители  работают  с  напряжением   питания   +/-15   В.   В   дальнейшем,рассматривая схемы на  ОУ,  мы,  как  правило,  не  будем  указывать  выводы питания.

  Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти  всегда охвачен  глубокой  отрицательной  обратной  связью,   свойства   которой   и определяют свойства схемы с ОУ.

  Принцип введения отрицательной  обратной связи иллюстрируется  рис. 2.

                                    [pic]

                Рис. 2. Принцип отрицательной обратной  связи

  Часть выходного напряжения  возвращается  через  цепь  обратной  связи  ко входу усилителя. Если, как это  показано  на  рис.  2,  напряжение  обратной связи  вычитается  из  входного  напряжения,   обратная   связь   называется отрицательной.

  Для физического анализа  схемы, представленной на рис.  2,  допустим,  что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного  значения Uвх.  В  первый  момент  выходное  напряжение  Uвых,  а   следовательно,   и напряжение обратной связи  Uвых  также  равны  нулю.  При  этом  напряжение,приложенное ко входу операционного усилителя, составит Uд  =  Uвх.  Так  как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом  усиления  KU,то величина Uвых быстро возрастет до некоторого  положительного  значения  и вместе с ней возрастет  также  величина  Uвых.  Это  приведет  к  уменьшению напряжения Uд, приложенного ко  входу  усилителя.  Тот  факт,  что  выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что  это  влияние направлено в сторону, противоположную изменениям  входной  величины  и  есть

проявление  отрицательной  обратной  связи.  После  достижения   устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

                         Uвых =KUUд =KU(Uвх - Uвых).

  Решив это уравнение относительно  Uвых, получим:

                    K=Uвых /Uвх =KU/(1 + KU)         (1)

  Таким образом, из этого соотношения  следует, что коэффициент усиления  ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью  и мало зависит от  параметров  самого  усилителя.  В  простейшем  случае  цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При  этом схема с ОУ работает как линейный усилитель,  коэффициент  усиления  которого определяется только коэффициентом ослабления цепи  обратной  связи.  Если  в качестве цепи обратной связи применяется  RC-цепь,  то  образуется  активный фильтр. Наконец, ключение в цепь обратной связи ОУ  диодов  и  транзисторов позволяет  реализовать  нелинейные   преобразования   сигналов   с   высокой точностью.

 

1.2. Идеальный операционный  усилитель

 

  Для уяснения принципов действия  схем на ОУ  и  приближенного  их  анализа

оказывается полезным  ввести  понятие  идеального  операционного  усилителя.

Будем называть идеальным операционный  усилитель,  который  имеет  следующие

свойства:

   a) бесконечно большой дифференциальный  коэффициент усиления по напряжению

      KU=Uвых /(U1 - U2) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);

   b) нулевое напряжение смещения  нуля Uсм, т.е. при равенстве входных

      напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм,

      приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

   c) нулевые входные токи (у  реальных ОУ от сотых долей  пА до единиц мкА);

   d) нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков

      Ом до единиц кОм);

   e) коэффициент усиления  синфазного сигнала равен нулю;

   f) мгновенный отклик на  изменение входных сигналов (у реальных ОУ время

      установления выходного  напряжения от единиц наносекунд  до сотен

      микросекунд).

  Как будет показано  ниже,  операционный  усилитель,  предназначенный  для

универсального применения, из соображений устойчивости  должен  иметь  такую

же частотную характеристику, что и  фильтр  нижних  частот  первого  порядка

(инерционное  звено),  причем  это  требование  должно  удовлетворяться   по

крайней мере вплоть до частоты единичного усиления fт, т.е.  такой  частоты,

при которой  |KU|  =1.  На  рис.  3  представлена  типичная  логарифмическая

амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного

                                    [pic]

                Рис. 3. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

операционного усилителя. В комплексной форме дифференциальный коэффициент

усиления такого усилителя выражается формулой:

                                    [pic]

  Здесь KU - дифференциальный коэффициент  усиления ОУ на  постоянном  токе.

Выше частоты fп, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3  дБ,

модуль  коэффициента  усиления  KU  обратно  пропорционален  частоте.  Таким

образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

                            |KU| f = |KU| fп = fт

  На частоте fт модуль дифференциального коэффициента усиления  |KU|  =  1.

Как  следует  из  последнего  выражения,  частота  fт   равна   произведению

коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

 

            1.3. Основные схемы включения операционного  усилителя

                         Дифференциальное включение

                                    [pic]

                    Рис. 4. Дифференциальное включение  ОУ

  На  рис.  4  приведена  схема  дифференциального  включения  ОУ.   Найдем

зависимость  выходного  напряжения  ОУ  от  входных  напряжений.  Вследствие

свойства а) идеального операционного усилителя  разность  потенциалов  между

его входами p и n равна нулю. Соотношение между  входным  напряжением  U1  и

напряжением Up между  неинвертирующим  входом  и  общей  шиной  определяется

коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4:

                        Up = U1R4/(R3+R4)         (3)

  Поскольку напряжение между  инвертирующим входом и общей  шиной  Un  =  Up,

ток I1 определится соотношением:

                       I1 = (U2 - Up) / R1         (4)

  Вследствие свойства c) идеального  ОУ I1=I2. Выходное напряжение усилителя

в таком случае равно:

                        Uвых = Up – I1R2         (5)

 

  Подставив (3) и (4) в (5), получим:

|[pic].                                                           |(6)   |

 

 

  При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,

                     Uвых = (U1 – U2)R2 / R1         (7)

 

 

                           Инвертирующее включение

  При инвертирующем включении  неинвертирующий вход ОУ соединяется  с  общей шиной (рис. 5).

                                    [pic]

                     Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ

|[pic]                                                           |(8)   |

 

 

  Таким образом, выходное напряжение  усилителя  в  инвертирующем  включении находится в противофазе  по  отношению  ко  входному.  Коэффициент  усиления входного сигнала по напряжению  этой  схемы  в  зависимости  от  соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

 

                          Неинвертирующее включение

  При неинвертирующем включении  входной сигнал подается на  неинвертирующий

вход ОУ, а на инвертирующий вход  через  делитель  на  резисторах  R1  и  R2

поступает сигнал с выхода усилителя (рис.  6).  Здесь  коэффициент  усиления

схемы K найдем, положив в (6)

  U2 = 0, R3 = 0, R4 бесконечно велико. Получим:

|[pic].                                                           |(9)   |

 

 

                                    [pic]

                    Рис. 6. Неинвертирующее включение  ОУ

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по

напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ

накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице.

Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно

в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по нескольку усилителей

в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно.

Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе