Интегратор, построенный на основе операционного усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru

Интегратор, построенный на основе операционного усилителя

Аннотация

Целью данной работы является понять устройство интегратора, построенного на операционном усилителе и самого операционного усилителя. Научиться понимать и строить простые принципиальные схемы с использованием интегратора и операционного усилителя. Разобрать главные недостатки использования интегратора на ОУ, а так же способы их устранения. Показать основные достоинства использования интегратора. Раскрыть перспективы развития и использования интегратора на ОУ в будущем.

Введение

интегратор операционный усилитель

Интегрирование является одной из основных математических операций, и её электрическая реализация означает построение схемы. В настоящее время очень много разновидностей интеграторов встречаются во многих аналоговых системах. Наиболее часто они применяются в схемах реле защиты, в активных фильтрах, а также в системах автоматического регулирования для интегрирования сигнала ошибки. Интегратор можно рассматривать как фильтр низких частот первого порядка, у которого наклон амплитудно-частотной характеристики составляет -20 дБ/декада. В данной курсовой работе будет рассматриваться интегратор основанный на операционном усилителе, который строят для уменьшения влияния внешних факторов и ряда других причин.

Целью данной работы является понять устройство интегратора, операционного усилителя, определить достоинства и недостатки в их использовании, произвести расчеты и охарактеризовать перспективы использования интегратора на операционном усилителе.

Задачами работы является:

- раскрыть понятие операционного усилителя и интегратора;

- показать основные достоинства использования интегратора на операционном усилителе;

- выявить недостатки интегратора и операционных усилителей;

- выявить необходимость в модернизации схемы интегратора и её защиты, выявить основные пути решения.

Объектом курсовой работы является интегратор построенный на основе операционного усилителя.

Предметом исследования являются интегральные схемы операционного усилителя.

В данной курсовой работе использовались учебные пособия широко известных авторов таких как А.И. Кучумова, М.Х. Джонса, П. Хорвица,

А.Р. Мамийя, Е.П. Угрюмова, И.А. Дьякова. Книги этих специалистов посвящены быстро развивающимся областям электроники. В них приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры: внимание читателя сосредоточивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем.

1. Операционный усилитель

1.1 Общие сведения

Для того что бы понять, что из себя представляет интегратор на операционном усилителе, для начала нам нужно разобраться чем же является сам ОУ. Операционный усилитель - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 105-106) и меньшим выходным импедансом, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рисунке 1.1; входы обозначают и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе становится более положительным, чем потенциал на входе, и наоборот. Символы не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная обратная связь). Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли обратной связи характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи.

Рисунок 1.1 - Операционный усилитель

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко -- операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ стоят очень дешево в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

1.2 Обозначение на схеме

На рисунке 1.2 показано изображение операционного усилителя с его входами и выходами.

Рисунок 1.2 - Выводы операционного усилителя

Выводы имеют следующее значение:

- неинвертирующий вход;

- инвертирующий вход;

- выход;

- плюс источника питания (также может обозначаться как , , или );

- минус источника питания (также может обозначаться как , , или ).

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса -- усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. 

1.3 Принцип действия

Операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя этими входами, эта разница называется дифференциальным напряжением на входе. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой

, (1)

где: - напряжение на неинвертирующем (прямом) входе;

 - напряжение на инвертирующем (инверсном) входе;

- коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (то есть обратная связь от выхода ко входу отсутствует).

Значение коэффициента усиления у микросхем операционных усилителей обычно большое - 100000 и более, следовательно довольно небольшая разница напряжений между входами и приведёт к появлению на выходе усилителя напряжения почти равному напряжению питания. Это называется насыщение усилителя. Величина коэффициента усиления  имеет технологический разброс, поэтому не стоит использовать один операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, рекомендуется применять схему из трёх усилителей. Без отрицательной обратной связи, и возможно при наличии положительной обратной связи, операционный усилитель будет работать как компаратор Электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1».. Если инвертирующий вход соединить с общим проводом (нулевым потенциалом) напрямую или через резистор, а напряжение , поданное на неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным. Если подать на вход отрицательное напряжение, то на выходе напряжение будет максимально отрицательным. Поскольку с выхода на входы обратная связь отсутствует, то

такая схема с разомкнутой цепью обратной связи будет работать как компаратор, коэффициент усиления схемы будет равен коэффициенту усиления операционного усилителя .

2. Интегратор на основе операционного усилителя

2.1 Общие сведения

Подключение к ОУ цепи частотно-зависимой (комплексной) обратной связи позволяет создавать устройства, обладающие усилением и частотной избирательностью. Их частотная и фазовая характеристики определяются только видом и параметрами цепи обратной связи. К таким устройствам относятся интеграторы.

Интегратором называется устройство на основе операционного усилителя, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного. Если обратная связь, которой охвачен ОУ, образуется конденсатором, то схема выполняет математическую операцию интегрирования по времени. Другими словами, она действует как накопитель, в котором входной сигнал суммируется на заданном отрезке времени. На основе операционных усилителей можно строить почти идеальные интеграторы на которые не распространяется ограничение «.

Интегратор на операционном усилителе можно считать точным в силу очень большого коэффициента усиления (сотни тысяч) и очень малых входных токов (доли наноампера). При этом выходное напряжение оказывается практически равным минус напряжению на конденсаторе, ток через конденсатор - практически равным току через резистор и напряжение на резисторе - практически равным входному. Интегрирование можно представлять себе как определение площади под кривой. Поскольку интегратор на операционном усилителе производит действия над напряжениями в течение некоторого периода времени, результат его работы можно интерпретировать как сумму напряжений за некоторое время.

2.2 Принципиальные схемы и основные выражения

Схема интегратора на операционном усилителе приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Интегратор на основе операционного усилителя

Математическую модель интегратора можно записать в таком виде:

, (2.1)

где: x(t) - входная функция времени; 

y(t) - выходная функция времени; 

k - коэффициент передачи; 

y0 - начальное значение выходной переменной.

В связи с тем что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

или (2.2)

Входным сигналом может быть и ток, в этом случае резистор R не нужен.

2.3 Основные проблемы и способы их решения

Основной проблемой в интеграторах является дрейф выходного напряжения, вызванный зарядом конденсатора, токами утечки, входными токами смещения и входным напряжением смещения ОУ. Если не принять никаких мер, на выходе схемы появится большое непостоянное смещение, которое, в конечном счете, приводит к насыщению ОУ. В представленной здесь схеме (см. рисунок 2.1) тоже присутствует этот недостаток - тенденция к дрейфу. Это нежелательное явление можно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины для R и С. Но на практике можно прибегнуть к сбросу на нуль интегратора с помощью переключателя подсоединенного к конденсатору. На рисунке 2.2 показан интегратор с переключателем для сброса.

Рисунок 2.2 - Интегратор с переключателем для сброса на нуль

Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить большой резистор R2, который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току. Но следует указать что такое подключение приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой частоте: . На рисунке 2.3 показано подключение резистора.

Рисунок 2.3 - Подключение резистора к схеме интегратора

Рассмотрев интегратор с переключателем на полевом транзисторе (см. рисунок 2.2), можно понять, что ток утечки перехода сток-исток2² Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. протекает через суммирующий переход даже в том случае, когда полевой транзистор находится в состоянии ВЫКЛ. Эта ошибка может быть преобладающей в интеграторе в случае использования операционного усилителя с очень малым входным током и конденсатора с небольшой утечкой.

2.4 Применение интегратора на ОУ

Интегратор служит полезным источником линейно изменяющегося напряжения, необходимого для осциллографов в качестве сигнала развертки и используемого также при реализации некоторых методов аналого-цифрового преобразования. Если на вход интегратора подать неизменное по величине постоянное напряжения - , то на выходе получим:

. (2.3)

На рисунке 2.4 показано линейно нарастающее напряжение с градиентом , как отклик интегратора на скачок напряжения. Когда на входе действует симметричное относительно земли периодическое прямоугольное колебание, это приводит к возникновению на выходе колебания треугольной формы.

Рисунок 2.4 - Линейно нарастающее напряжение, отклик интегратора

Интегратор так же можно использовать в схеме нужной для обнаружения ядерных частиц. Схема является зарядо-чувствительным усилителем или другими словами преобразователем заряда в напряжение у которой выходное напряжение пропорционально количеству заряда, поступившего на вход. В таком случае очень полезен интегратор на основе ОУ. В схеме представленной на рисунке 2.5 убирается резистор и входная клемма напрямую соединяется с инвертирующим входом.

Рисунок 2.5 - Электрометрический усилитель

3. Практическая часть

3.1 Тестирование и описание исследуемых схем

Настоящая схема интегратора содержит входной резистор R1 и конденсатор С1, включенный в цепь обратной связи ОУ (А1). Учитывая большой собственный коэффициент усиления ОУ и глубокую отрицательную обратную связь, дифференциальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующем входами близко к нулю. Таким образом, напряжение на инвертирующем входе близко к напряжению нулевого потенциала, то есть является «виртуальной землей». В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Вследствие большого входного сопротивления ОУ практически весь входной ток протекает через конденсатор С1, заряжая его. При этом реализуется операция интегрирования. На рисунке 3.1 приведена схема идеального интегратора смоделированного в программе Electronic Workbench.

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема идеального интегратора (в формате Electronic Workbench)

Таким образом, для идеального интегратора:

, (3.1)

при этом:

. (3.2)

Подставляя эти выражения и выражая через них получим выражение для выходного напряжения во временной области.

(3.3)

где: T - интервал интегрирования.

Величина называется постоянной времени интегратора, определяющей скорость заряда емкости. В реальном интеграторе, построенном по схеме (см. рисунок 3.1) при интегрировании сигналов низких частот (в том числе сигналов постоянного тока) возникают ошибки интегрирования, связанные с зарядом емкости входными токами ОУ. В этом случае, даже при отсутствии входного сигнала конденсатор может медленно заряжаться (в пределе до напряжения питания). Чтобы уменьшить ошибки интегрирования, параллельно конденсатору подключают электронный ключ для периодического разряда емкости.

При интегрировании сигналов переменного тока параллельно конденсатору С1 подключается резистор обратной связи R2, как показано на рисунке 3.2, выполняющий следующие функции:

- ограничение коэффициента усиления на низких частотах;

- устранение ошибки интегрирования, связанной с зарядом емкости С1 входными токами ОУ;

- уменьшение влияния напряжения смещения ОУ.

Таким образом, на низких частотах схема интегратора с резистором R2 работает как инвертирующий усилитель с постоянным коэффициентом усиления. На частотах схема выполняет функции интегратора, при этом АЧХ имеет наклон -20 дБ/дек (коэффициент передачи уменьшается на 20 дБ при каждом десятикратном изменении частоты). Резистор R3 выступает в качестве нагрузки.

Рисунок 3.2 - Схема установки для исследования интегратора (в формате Electronic Workbench)

Заключение

В настоящей курсовой работе были раскрыты понятия интегратора построенного на операционном усилителе, сам операционный усилитель, а так же разобраны принципиальные схемы с подключением к ним разных элементов для улучшения разных параметров работы интегратора на ОУ. В работе выявлены проблемы использования интегратора, а так же способы их устранения. В практической части работы, проведенной с помощью программы Electronic Workbench, собраны и опробованы основные схемы интегратора на ОУ, после чего выведены и сделаны расчеты основных параметров работы.

В данной работе мы выяснили что интеграторы являются одним из основных операционных звеньев аналоговой тех-ники. Применение интеграторов основанных на операционных усилителях существенно упрощает схемотехнику аналоговых электронных устройств, таких как усилители сигналов, функциональных преобразователей, потенциальных и токовых сигналов, компараторов, фильтров, генераторов сигналов различной формы, измерителей тока и напряжения и т. д.

К сожалению устройство не лишено недостатков. Основным недостатком интегратора на ОУ является дрейф выходного напряжения обусловленного зарядом конденсатора. Эта проблема не возникает если интегратор является частью большей схемы, охваченной общей обратной связью, то дрейф интегратора не вызывает особых осложнений, так как компенсируется общей обратной связью. В других случаях в схему можно включить резистор, этот резистор обеспечивает путь для входных токов смещения в обход конденсатора. Кроме того в схеме можно использовать ключ сброса для периодического разряда конденсатора.

Будущее применение интеграторов на ОУ и самих операционных усилителей достаточно безоговорочное, они все больше и больше используются в повседневной электротехнике и других областях. Выпускаемые промышленностью интеграторы и ОУ постоянно совершенствуются, их параметры «приближаются к идеальным». Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно и очень затратно. Для того чтобы расширить область применения интеграторов и ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются доминирующими, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, т.к. в зависимости от сферы применения от интегратора требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу.

В последнее время растет интерес к интеграторам на ОУ, которые, в отличие от традиционных двухполярных источников питания, используют однополярный источник, причем, все чаще низковольтный. Их распространение связано с распространением устройств с батарейным питанием, в которых используются как аналоговые, так и цифровые компоненты. Экономичность при батарейном питании может оказаться ключевым критерием в ближайшем будущем. В ряде приложений требуется непрерывная работа изделия без замены батареи или перезарядки в течение длительного времени.

Библиографический список

1 Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир, 2008. - 698 с.

2 Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника / Е.П. Угрюмов. - СПб.: БХВ, 2004. - 528 с.

3 Джонс, М.Х. Электроника - практический курс / М.Х. Джонс. - М.: Постмаркет, 2001. - 528 с.

4 Кучумов, А.И. Электроника и схемотехника / А.И. Кучумов. - М.: Гелиос,

2004. - 336 с.

5 Мамий, А.Р. Операционные усилители / А.Р. Мамий, В.Б. Тлячев. - Майкоп.: АГУ, 2005. - 192 с.

6 Дьяков, И.А. Схемотехника / И.А. Дьяков. - Тамбов.: ТГТУ, 2003. - 93 с.

7 Тручард, Д. Electronic Workbench Interact [Электронный ресурс] : рабочая программа : для студ. заочн. формы обучения / Д. Тручард. - М.: МИИГАиК, 2009. - 1 диск.

Размещено на Allbest.ru