Основные схемы включения операционного усилителя

Параметры и свойства устройств обработки сигналов, использующих операционного усилителя в качестве базового элемента. Изучение основных схем включения ОУ и сопоставление их характеристик. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 21.08.2015
Размер файла 201,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Основные схемы включения операционного усилителя

Параметры и свойства устройств обработки сигналов, использующих ОУ в качестве базового элемента, существенно зависят от схемотехнических решений, применяемых в соответствующих устройствах. В связи с эти необходимо рассмотреть основные схемы включения ОУ и сопоставить их характеристики.

а) Дифференциальное включение

Рис. 1. Дифференциальное включение ОУ

Нa рис. 1 приведена схема дифференциального включения ОУ. В силу свойств идеального ОУ разность потенциалов между его неинвертирующим p и инвертирующим n входами равна нулю, а I1=I2. Учитывая это можно показать, что

(1)

Если выполняется соотношение R1R4 = R2R3, то

б) Инвертирующее включение

При инвертирующем включении (рис. 2) неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.

Рис. 2. Инвертирующее включение ОУ; а - типовое, б - с Т-образным включением резисторов обратной связи

В типовой схеме (рис. 2а) R3 = ?, a R4 = 0 и из формулы (1) следует

(2)

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

В силу свойств идеального ОУ потенциал незаземленного инвертирующего входа при заземленном неинвертирующем входе также равен нулю. Поэтому инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным нулем или мнимой землей. При этом входной ток схемы I1= V2/R1, а входное сопротивление схемы Rвх =R1.

Если от схемы необходимо получить высокое усиление, то в соответствии с формулой (2) придется либо применить резистор R1 с очень низким сопротивлением, либо использовать высоокоомный резистор R2. В первом случае низким R1=Rвх нагружается источник входного сигнала, во втором - снижается стабильность коэффициента усиления. В этом случае задача решается применением в цепи обратной связи четырехполюсника в виде Т-образно включенных резисторов (рис. ). На основании свойств 2 и 3 идеального ОУ и законов Кирхгофа можно записать систему уравнений электрического равновесия схемы, решив которую можно прийти к следующему выражению для коэффициента усиления:

Выбрав R4 небольшим, можно получить большой коэффициент усиления схемы при достаточно высоком Rвх=R1.

Рис. 3. Неинвертирующее включение ОУ

в) Неинвертирующее включение

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертируютий вход ОУ, a на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2, поступает сигнал с выхода усилителя.

Коэффициент усиления схемы можно найти, предположив, что в формуле (1) при дифференциальном включении V2 = 0,R3 = 0, a R4 = ?. Получим

(3)

Как следует из выражения (3) выходной сигнал синфазен со входным и коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, коэффициент усиления равен единице. Такую схему называют неинвертирующим повторителем. Ее входное сопротивление в идеале бесконечно. У повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Примечание. Для упрощения анализа схем с операционным усилителем, работающим в линейном режиме, обычно используют две предпосылки: а) разность потенциалов между входами равна нулю; б) входные токи усилителя равны нулю.

Динамические характеристики ОУ (полоса пропускания fп, частота единичного усиления fT, время установления tуст, скорость нарастания выходного напряжения) характеризуют его быстродействие и устойчивость. Они определяются частотной характеристикой ОУ. Из-за паразитных емкостей и многокаскадной структуры ОУ по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Паразитные емкости приводят к появлению обратной связи и вследствие большого коэффициента усиления ОУ склонны к самовозбуждению (потере устойчивости): даже при отсутствии сигнала на входе на их выходе могут возникать стационарные или прерывистые колебания относительно большой амплитуды.

В линейном режиме (при малых входных сигналах) поведение ОУ во временной области описывается линейным дифференциальным уравнением, а в частотной - комплексным коэффициентом передачи (либо передаточной функцией KV(s)) дробно-рационального вида. Корни полинома в числителе передаточной функции называют нулями передаточной функции, а корни полинома в знаменателе - полюсами. Если все полюса передаточной функции ОУ лежат в левой полуплоскости на комплексной плоскости, то ОУ устойчив. Для устойчивости ОУ с внешней обратной связью необходимо чтобы в левой полуплоскости находились все корни характеристического уравнения , где в(s) передаточная функция четырехполюсника обратной связи.

Устойчивость ОУ удобно исследовать по асимптотическим характеристикам (диаграммам Боде) - графикам, на которых его АЧХ и ФЧХ изображаются асимптотически в декартовой системе координат в логарифмическом масштабе по оси абсцисс и называются соответственно ЛАЧХ и ЛАФХ. Асимптотической называют характеристику, образованную соединенными отрезками касательных, проведенных к точной ЛАЧХ с наклоном кратным 20 дБ/дек. По ней легко определить положение нулей и полюсов передаточной функции усилителя на частотной оси: они находятся в точках пересечения асимптот. Частота fкр, на которой фазовый сдвиг ОУ равен -р называется критической, а частоту fср, на которой модуль петлевого коэффициента усиления называют частотой среза.

Рис. 4. Переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью

Для коррекции частотных характеристик применяют внутреннюю и внешнюю коррекцию. Внутренняя коррекция выполняется разработчиками ИС ОУ, внешняя может применяться инженерами-разработчиками устройств обработки сигналов на ОУ. Такую коррекцию выполняют путем введения цепей частотно-зависимых обратных связей, которые выбирают таким образом, чтобы скорректировать положение нулей и полюсов передаточной функции ОУ без цепей обратной связи.

При резистивной обратной связи коэффициент обратной связи в определяется формулой. В этом случае для устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью должно выполняться условие fср< fкр. Степень устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов) определяется запасом устойчивости по фазе, под которым понимают разность , где - фазовый сдвиг сигнала на частоте fкр. Типичные переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью и fср=100 кГц в зависимости от б приведены на рис.4.

В настоящее время промышленностью выпускаются сотни наименований ОУ. Их можно разделить на группы, объединенные общей технологией и внутренней структурой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками.

С точки зрения внутренней структуры ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или МОП-транзисторы используются в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

ОУ общего назначения - недорогие усилители со средним быстродействием, невысокой точностью и малой выходной мощностью. Их типовые параметры: КV= 20000ч.200000; VOFF = 0.1...20 мВ; fT = 0.1... 10 МГц. К этой группе относится большая часть ОУ. Типичные представители: 140УД6, 140УД8, 153УДб; LF411.

Быстродействующие ОУ при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fT = 20...1000 МГц, с = 10...1000 В/мкс). Типичные представители высокочастотных ОУ обычного типа: 574УДЗ, 154УД4, AD825, AD8042, П65. Заметное повышение скорости нарастания выходного напряжения дает применение в ОУ обратной связи по току (LM7171, THS3001).

Модели высокоскоростных ОУ с одним каскадом усиления и низким коэффициентом усиления (менее 10000) отличаются высокой устойчивостью и не требуют коррекции (AD9632, OPA680). Их применяют, в основном, для усиления видеосигналов, в качестве буферов для высокоскоростных АЦП, драйверов для высокочастотных линий передачи.

Прецизионные ОУ имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малые напряжения смещения нуля, малые входные токи и, как правило, низкое быстродействие, например: AD707, 140УД26, МАХ400М (без прерывания - периодической компенсации дрейфа нуля), 140УД24, МАХ430,|AD8571 (с прерыванием).

Микромощные ОУ используются в устройствах с питанием от гальванических элементов или аккумуляторов. Они потребляют очень малый ток (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1.2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно! невысокие. Появился целый класс так называемых наноамперных ОУ, работающих при напряжении питания 3 В и потребляющих при этом ток менее 1 мкА. Примеры: TLV2401 (880 нА) и сдвоенный LMC6442 (950 нА на усилитель). Такие устройства могут работать от одной литиевой батарейки непрерывно десятки лет.

Программируемые ОУ дают возможность разработчику самому выбрать компромисс между малым потреблением и низким быстродействием. Такой ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока, увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, МАХ480. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер.

ОУ с однополярным питанием позволяют питать усилитель от одной батареи или даже одного гальванического элемента, например (литиевого с напряжением 3 В). Характерная особенность ОУ с однополярным питанием состоит в том, что диапазон выходных сигналов должен обязательно лежать в пределах верхнего и нижнего уровней напряжения питания, даже если диапазон входных синфазных сигналов выходит за эти рамки. При этом один из этих уровней (в зависимости от полярности напряжения питания) при вязан к потенциалу земли. Выпускаются ОУ, у которых диапазоны входных и выходных напряжений могут изменяться от нижнего до верхнего значении питающих напряжений - так называемые усилители rail-to-rail (от уровня до уровня). Типичный пример: МАХ495, с потреблением от однополярного источника тока 150 мкА.

Многоканальные ОУ - это микросхемы, в которых на одном кристалле реализовано два, три или четыре одинаковых ОУ. Например, микросхема 140УД20 содержит в своем составе два ОУ 140УД7. Микромощные ОУ MAX406/407/409 включают соответственно два, три и четыре однотипных усилителя. При применении многоканальных ОУ необходимо учитывать наличие перекрестных связей между отдельными усилителями в микросхеме. На высоких частотах такие связи могут достигать уровня 100%. Например, гармонический сигнал с частотой 10МГц проходит с входа одного усилителя двухканального ОУ THS4052 на выход другого практически без ослабления.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ общего применения рассчитаны на напряжение питания ±15 В, некоторые допускают питание до ±22 В. К высоковольтным ОУ относят усилители, имеющие разность положительного и отрицательных питающих напряжений свыше 50 В. Большинство ОУ с напряжением питания более 100В выпускается в виде гибридных микросхем. Наряду с этим известны и другие варианты. Например, фирма Apex microtechnology (США) выпускает полупроводниковый интегральный ОУ PA41 c номинальным напряжением питания ±175 В, выходным напряжением ±165В и выходным током до 60мА. Одна из наиболее высоковольтных моделей этой фирмы гибридный ОУ PA69 с напряжением питания до ±600 В и выходным током до 75 мА. Ом может обеспечить на нагрузке размах напряжения до ±570В. К мощным ОУ относят усилители, допускающие выходной ток свыше 100 мА. Например, интегральный ОУ LM12 допускает выходной ток до 10А и рассеивает мощность до 90 Вт. Гибридный ОУ PA03 допускает выходной ток до 30А рассеивает мощность до 500 Вт.

Выводы и результаты

1. При разработке схем функциональных узлов устройств обработки сигналов используют три основных схемы включения ОУ: дифференциальную, инвертирующую и неинвертирующую. Эти схемы существенно отличаются друг от друга по величинам коэффициентов усиления, входным и выходным сопротивлениям, однако во всех схемах они определяются параметрами резистивных цепей обратных связей.

2. Для повышения устойчивости работы устройств на ОУ инженерами-разработчиками внешняя коррекция частотных характеристик ОУ путем введения цепей частотно-зависимых обратных связей, которые выбирают таким образом, чтобы скорректировать положение нулей и полюсов передаточной функции ОУ без цепей обратной связи. Для устойчивости ОУ с резистивной отрицательной обратной связью должно выполняться условие fср< fкр. Степень устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов) определяется запасом устойчивости по фазе - величины фазового сдвига .

сигнал усилитель цифровой электронный

Список литературы

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд. - М.: ДОДЭКА-XXI, 2007. - 528 с.

2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216с.

3. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994. - 352с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Динамический режим работы усилителя. Расчет аналоговых электронных устройств. Импульсные и широкополосные усилители. Схемы на биполярных и полевых транзисторах. Правила построения моделей электронных схем. Настройка аналоговых радиотехнических устройств.

    презентация [1,6 M], добавлен 12.11.2014

  • Основные схемы включения операционного усилителя и его характерные свойства. Исследование неинвертирующего и инвертирующего включения данных устройств, усилители переменного тока на их основе. Выпрямители и детекторы сигналов на операционных усилителях.

    курсовая работа [825,0 K], добавлен 19.03.2011

  • Компенсация напряжения сдвига операционных усилителей, их свойства и принцип работы. Исследование работы инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального включения операционного усилителя. Измерение коэффициента ослабления синфазной составляющей.

    лабораторная работа [4,0 M], добавлен 16.12.2015

  • Принцип действия схемы генератора на основе операционного усилителя. Проверка работы мультивибратора в программе Micro-Cap, определение относительной погрешности. Описание интегральной схемы К572ПА2. Схема дискретно-аналогового преобразования фильтра.

    курсовая работа [790,6 K], добавлен 06.04.2013

  • Разработка усилителя низкочастотного сигнала с заданным коэффициентом усиления. Расчеты для каскада с общим коллектором. Амплитуда высших гармоник. Мощность выходного сигнала. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 21.02.2016

  • Расчет интегрирующего усилителя на основе операционного усилителя с выходным каскадом на транзисторах. Основные схемы включения операционных усилителей. Зависимость коэффициента усиления от частоты, а также график входного тока усилительного каскада.

    курсовая работа [340,2 K], добавлен 12.06.2014

  • Проектирование транзисторного каскада усилителя и фильтра низкой частоты на основе операционного усилителя, комбинационно-логического устройства (КЛУ) и транзисторного стабилизатора постоянного напряжения. Синтез преобразователей аналоговых сигналов.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.02.2014

  • Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.

    реферат [157,8 K], добавлен 28.05.2012

  • Общие рекомендации к выполнению лабораторных работ. Изучение электронного осциллографа. Исследование выпрямительного и туннельного диодов. Исследование дифференциального включения операционного усилителя. Изучение свойств интегрирующего усилителя.

    учебное пособие [939,5 K], добавлен 25.03.2009

  • Особенности разработки малосигнального усилителя низкой частоты. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя. Разработка комбинационно-логического устройства (КЛУ). Характеристики и тестирование источника питания на УНЧ.

    курсовая работа [2,2 M], добавлен 07.10.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.