ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

До появления линейной интегральной схемотехники к классу операционных усилителей (ОУ ) относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и др.

Появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем позволило значительно усовершенствовать их технические и эксплуатационные показатели. При этом наряду с известными были разработаны и использованы новые схемотехнические решения, составившие основу интегральных ОУ. В. настоящее время под ОУ понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых разнообразных функций, в том числе и перечисленных выше.

Интегральные ОУ обычно строятся по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратных связей. Кроме интегральных, промышленностью выпускаются также ОУв гибридно-модульном исполнении, малосигнальная часть которых выполняется на бескорпусных элементах, расположенных на гибридной подложке, а мощный выходной каскад использует транзисторы в обычном дискретном исполнении. Такие ОУ характеризуются значительно большим уровнем выходного напряжения усиливаемого сигнала. Если к тому же на входе ОУ применить полевые транзисторы, то можно достичь значения входного сопротивления 10⁹ - 10¹¹ Ом.

Рис.1

Большинство интегральных ОУ промышленного типа имеют один выход (рис..1). При этом выходное напряжение U_вых находится в фазе с напряжением U_вх1 и противофазно напряжению U_вх2. В случае необходимости второй выход можно получить за счет подсоединения нескольких дополнительных элементов.

Напряжение, непосредственно приложенное между входами, равно разности напряжений U_вх1 и U_вх2. - Причем это напряжение равно нулю, если последние имеют даже значительные, но равные значения. Поэтому U_вх1 и U_вх2 по отношению к общей точке называются напряжениями общего вида, а их разность - дифференциальным напряжением.

Выпускаемые ОУ характеризуются большим входным, низким выходным сопротивлениями и очень высоким коэффициентом усиления. Представляя ОУ идеальной моделью, считают, что K_U ® ¥, R_ВХ ® ¥, R_ВЫХ ® 0. Кроме того, к основным признакам идеального ОУ следует отнести:

• бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты f = 0;
• постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот;
• отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

Входные характеристики ОУ практически полностью определяются входными характеристиками дифференциального усилителя, а выходные - аналогичными показателями усилителя мощности (Рис.2). Транзисторы ОУ в интегральном исполнении имеют биполярную структуру.

Принципиальная схема ОУ типа К140УД1 показана на рис.3. Первый усилительный каскад с прямыми входами на транзисторах Т1 и Т2 с источником стабильного тока Iо на транзисторе ТЗ и цепочкой температурной компенсации на транзисторе Т5 полностью аналогичен схеме дифференциального усилителя. Поскольку первый каскад ОУ работает в режиме микроамперных токов (Iо = 150...250 мкА), то его коэффициент усиления по напряжению K_U1 = (I₀/j_т) Rк мал - в пределах 10 - 20.

Напряжение смещения, выделяемое на транзисторе в диодном включении Т5 и резисторе R5, прикладывается к базе транзистора ТЗ, обеспечивая стабилизацию его коллекторного тока Iо в широком диапазоне температур.

Это же напряжение управляет источником стабильного тока схемы сдвига постоянного уровня сигнала, который поступает на транзистор Т8 выходного каскада.

Второй каскад на транзисторах Т4 и Т6 также выполнен по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и не симметричным выходом

Однако ток второго каскада не фиксируется источником стабильного тока в эмиттерной цепи транзисторов, так как от этого каскада не требуется ослабления синфазного сигнала общего вида, который практически отсутствует на выходе первого дифференциального усилителя.

. Поэтому второй каскад ОУ работает с миллиамперными уровнями токов, обеспечивая усиление напряжения порядка 100 и более. Кроме того, использо вание дифференциальной схемы во второй ступени усиления существенно упрощает согласование обоих каскадов ОУ по постоянному току без заметной потери усиления.

Выходной каскад ОУ (транзисторы Т7—Т9) должен иметь большое входное и малое выходное сопротивление, обеспечивающее получение на заданной нагрузке необходимого выходного напряжения. Выходной каскад является однотактным усилителем, работающим в режиме класса А, в котором для до-лучения усиления, большего единицы, используется схема сдвига уровня сигнала на транзисторе Т8. Поскольку на этот транзистор с выхода ОУ (эмиттерный повторитель на транзисторе Т9) подается положительная обратная связь по току (R8, R9), напряжение которой для базы транзистора Т9 является параллельным, то входное сопротивление всего каскада увеличивается, выходное — уменьша ется, а коэффициент усиления эмиттерного повторителя может достигать величины, равной пяти. Таким образом, общий коэффициент усиления ОУ типаК140УД1 может достигать нескольких тысяч.

2.ТИПОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

.

Традиционными областями применения ОУ являются решающая аналоговая техника, аппаратура обработки сигналов, радиоизмери­тельные устройства и др., в которых часто требуется выполнение операторных уравнений при замыкании выхода ОУ на инвертирующий вход с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.

Рис.4. Эквивалентная схема суммирующего (а) и масштабного (б) усилителя.

Сумматор со многими входами. На вход сумматора (рис. 4 а ) входные сигналы. U_и1,U_и2, U_и3 и т. д. поступают от нескольких источников с выходными сопротивлениями R₁ R_2. R₃ кроме того, ко входу усилителя (точка р) через Rо.с подводится часть выходного напряжения U_вых Для такой схемы включения ОУ при R₁= R₂=R₃=R напряжение на выходе будет равно:

Масштабный усилитель. Назначение этого усилителя — изменение масштаба электрической величины посредством умножения входного сигнала на некоторый постоянный коэффициент.

Если положить в схеме на рис 4_а R₂=R₃ = ¥ (усилитель с одним входом), то получим схему, показанную на рис.4б, для которой:

что соответствует назначению усилителя. Уровень выходного напряжения (масштаб) устанавливается соотношением сопротивлений R_ос и R_и – весового коэффициента коэффициента.

Компаратор напряжения. Компараторное включение ОУ используется для сравнения напряжения источника сигнала U_и. с опорным сигналом U_оп.ОУ обычно используется без внешних цепей отрицательной обратной связи с подачей сравнивающих сигналов на один или оба входа усилителя.

Для сравнения разнополярных входных напряжений используется одновходовой компаратор (рис. 5, а), в котором исследуемый • и опорный сигналы поступают на инвертирующий вход ОУ. В промежутке времени 0— t (рис. 5, б) выполняется неравенство.IU _и | < |Uоп|, поэтому Uвx. > 0 и напряжение на выходе компаратора Ивых = Uвых. мякс» -U_ип (напряжения на инвертирующем входе ОУ и. его выходе—разнополярны). В момент времени t₁ входной сигнал достигает порогового значения

(1)

а затем(при t>t₁) превышает его, чему соответствует наличие отрицательного потенциала на инвертирующем входе ОУ (Uвх<0), сопровождающееся переключением компаратора в другое состояние, При котором Uвыx. макс =+ U и.п.

Моменту времени, при котором выполняется равенство (1), соответствует неустойчивый линейный режим усилителя компаратора. При этом наклон переходной характеристики определяется собственным коэффициентом усиления усилителя К_U - Поэтому отсутствие в ОУ отрицательной обратной связи способствует увеличению скорости переключения компаратора.

Рис. 5

В двухвходовом компараторе (рис.6 в) сравнивающие сигналы поступают на оба входа ОУ. Поэтому состояние выхода компаратора (полярность выходного напряжения) опреде-ляется большим по уровню напряжением одного из входов, что отражено переходной характеристикой компаратора. При равенстве входных напряжений (момент времени ti) выходное напряжение компаратора в соответствии с принципом работы интегрального ОУ, равно нулю. Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением ОУ.

Поиск по сайту: