Основные определения. Классификация операционных усилителей
Аналоговые интегральные схемы
Аналоговые интегральные схемы осуществляют преобразование входного сигнала в непрерывную функцию на выходе.
Основу большинства аналоговых ИС составляют операционные усилители. Также к ним относятся устройства, в которых используются цифровые каскады: компараторы, умножители, цифро-аналоговые преобразователи, аналого-цифровые преобразователи.
Операционный усилитель (ОУ) – это интегральная микросхема, на выходе которой формируется напряжение, равное по величине усиленной разности между входами.
ОУ имеет два входа (один из которых инвертирующий, а другой - неинвертирующий) и один выход (рис. 5.1).
Инвертирующим входом называется тот, при действии на который выходным сигналом на выходе возникает сигнал, отличающийся по фазе от входного на π.
U вых = К(U и - U н),
где К – коэффициент усиления
U д = U и - U н – дифференциальный сигнал
Большинство ОУ питаются от двух источников питания, равных по величине, но противоположных по знаку. В низковольтных операционных усилителях напряжение питания около 3 В, а в высоковольтных – до 18 В. Если применяется два напряжения питания, то сигнал на выходе является двухполярным. Если применяется униполярным сигнал, то он должен быть в два раза больше.
|
|
Операционные усилители классифицируются на:
- ОУ общего назначения;
- прецизионные, у которых погрешность коэффициента передачи не превышает 0,1 %;
- быстродействующие;
- микромощные, имеют малый ток потребления, применяются с батарейками питания;
- мощные, с выходным током до 1 А.
К типовым сериям операционных усилителей относятся такие серии, как К140, К156, К154, К198, К544, КМ551, К574.
1. Основной характеристикой ОУ является передаточная характеристика (рис. 5.2).
Входной сигнал в ОУ ограничен и при работе в цепях без обратной связи имеет малое значение.
Допустим, напряжение питания равно 15В, коэффициент усиления К равен 1000, тогда
U вых max = U пит -1 = (15-1) В = 14 В,
U вх max = U вых max/К = 14 мВ.
В реальных ОУ из-за отклонений элементов схемы передаточная характеристика может быть смещена (рис. 5.3).
ОУ обычно используются с применением цепей обратной связи (рис. 5.4).
Одним из важных свойств операционных усилителей является большой коэффициент передачи К. Тогда
Кос = К / (1+bК) = 1 / b = - R 2 / R 1,
то есть определяется только параметрами цепи обратной связи.
Основные параметры ОУ:
· коэффициент передачи дифференциального сигнала
К = D U вых / D U д = 103 ÷ 106;
· коэффициент ослабления синфазного сигнала
КОСС = 20 lg КСФ,
где КСФ– коэффициент усиления синфазного сигнала
|
|
КСФ = D U вых / D U СФ,
где UСФ – синфазный сигнал
U СФ = (U и + U н)/2.
Синфазный сигнал обычно является сигналом помехи и имеет большую амплитуду. Синфазный сигнал помехи ослабляется операционным усилителем, и величина ослабления равна от 80 до 100 децибел.
· дифференциальное входное сопротивление – это сопротивление между входами, величина его равна от 10 кОм до 100 МОМ;
· синфазное входное сопротивление – сопротивление между входом и землей, его величина выше, чем величина входного дифференциального сопротивления;
· напряжение смещения нуля – это такое напряжение, которое нужно подать на вход, чтобы выходной сигнал стал равным нулю. Обычно значение его равно 1 мВ. Напряжение смещения нуля учитывают, если входной сигнал такого же уровня.
2. Динамическая характеристика представлена на рис. 5.5.
Частота сопротивления (f СОПР) – это такая частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в раз:
К (f СОПР) = К(0) / = 0,707К(0)
Частота единичного усиления (f 1) – это частота, на которой коэффициент усиления равен 1:
f 1 = К(0) f СОПР
Применение обратной связи приводит к снижению коэффициента передачи, но к увеличению полосы пропускания.