Внутренняя структура оу

Для достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:

1) высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и по постоянному;

2) малым напряжением смещения нуля;

3) малыми входными токами;

4) высоким входным и низким выходным сопротивлением;

5) высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС);

6) амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот -20дБ/дек.

ОУ должен быть с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления напряжения.

Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение не равно нулю. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, как такое дифференциальное напряжение, которое нужно приложить ко входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было бы равно нулю.

Блок-схема операционного усилителя, в большой мере удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к ОУ, приведена на рис.

Структурная схема ОУ

 

Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей, входные токи и входное сопротивление, поэтому он выполняется по схеме дифференциального усилителя.

Схема простейшего дифференциального усилительного каскада

Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению каскада определяется выражением:

где r_э - динамическое сопротивление эмиттера транзистора. Дифференциальное напряжение обычно усиливается таким каскадом не более, чем в 100 раз.

Для того, чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одно и то же напряжение u_вх. В этом случае оба транзистора со своими коллекторными нагрузками включены по существу параллельно. Через резистор R_э протекают оба эмиттерных тока. Поэтому

Сопротивление r_э обычно много меньше Rэ и им пренебрегают. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) определяется как отношение

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_к и R_э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временнa я стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало.

Схема токового зеркала

 

При таком включении U_кэ=U_бэ>U_кэ.нас. Следовательно, транзистор VТ₁ ненасыщен. Поскольку U_бэ1=U_бэ2, то при хорошо согласованных по параметрам транзисторах I_б1=I_б2=I_би I_к1=I_к2=h_21эI_б, где h_21э - статический коэффициент передачи тока. При этом I_вх= h_21эI_б +2I_б и I_вых= h_21эI_б. Отсюда I_вых= h_21эI_вх/(h_21э+2)I_вх

Общие сведения об ОУ

Входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений: U_вых = U₁ - U₂

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 подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

ОУ почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип отрицательной обратной связи

 

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

U_вых =K_UU_д =K_U(U_вх - U_вых).

Решив это уравнение относительно U_вых, получим:

K=U_вых /U_вх =K_U/(1 + K_U)

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, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

ОУ, 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 f_т, т.е. такой частоты, при которой |KU| =1. На рис. представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного операционного усилителя. В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

 

Здесь K_U - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты f_п, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления K_U обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение|K_U| f = |K_U| f_п = f_т

На частоте f_т модуль дифференциального коэффициента усиления |K_U| = 1. Как следует из последнего выражения, частота f_т равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Схемы включения ОУ

 

1. Дифференциальное включение

Дифференциальное включение ОУ

 

Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Соотношение между входным напряжением U₁ и напряжением U_p между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R₃ и R₄:

U_p = U₁R4/(R3+R4)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_n = U_p, ток I₁ определится соотношением:

I₁ = (U₂ - U_p) / R1

Вследствие I₁=I₂ выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

U_вых = U_p – I₁R2

Тогда

 

При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U_вых = (U₁ – U₂)R2 / R1

 

2. Инвертирующее включение

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.

Инвертирующее включение ОУ

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.

3. 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. Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

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.

Лекция 9

4. Интегратор

Для параллельной ООС по напряжению (соответствует простейшему ФНЧ). (при R1>>Ru).

(потенциал инвертирующего входа из-за действия ООС близок к потенциалу земли).

 

5. Дифференциатор.

При R1 = 0 Kuос = -jwCRсв (АЧХ соответствует простейшему ФВЧ) Uвых= -Rсв C dEu/dt R1 может включаться для ограничения усиления на верхних частотах.

 

6. Активные фильтры (АФ)

АФ помимо пассивных элементов, задающих форму АЧХ, имеют и Уэ, обеспечивающие усиление сигналов. Аф на операционных усилителях Имеют несомненные преимущества перед пассивными, особенно в диапазоне частот f£10 КГц, где катушки индуктивности громоздки, дороги, нестабильны. Как и пассивные, АФ могут быть различной сложности. Схема ФВЧ первого порядка соответствует схеме дифференциатора, но с обязательным включением R1, задающим частоту среза w_сн. Если R1=R2=Rсв=R, то w_cн=1/RC (рис. а):

а) б)

ФНЧ первого порядка отличается от схемы интегратора включением резистора Rос параллельно С (для подбора частоты среза). При R2=R1=Rсв =R w_св = 1/RC (рис. б).

Объединение в одной схеме двух фильтров позволяет получить полосовой фильтр.

 

7. Компаратор напряжения

Компаратор - устройство для сравнения уровней двух сигналов (от compare - сравнивать). В зависимости от соотношения напряжений на его входах он может находится в одном из двух устойчивых состояний.

Если сигнал на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе ОУ будет U_вых=k(U₁-U₂) или фактически +U_пит. Если, наоборот, сигнал на инвертирующем входе будет больше, то на выходе ОУ будет напряжение - U_пит. Для увеличения быстродействия ОУ может быть охвачен положительной обратной связью.

 

8. Преобразователь ток-напряжение

Входное напряжение в этой схеме U_вх= - U_вых/k _ус=I ^. R/k _ус, а выходное U_вых= - I^.R - пропорционально входному току. Входное сопротивление R_вх - очень мало т.к. R_вх=R /k _ус и не влияет на схему, в которой проводится измерение тока. Отметим также, что напряжение на выходе практические не зависит от нагрузки.

 

9. Преобразователь напряжение-ток

Ток I, протекающий через резистор нагрузки, не зависит от сопротивления нагрузки R_н, но прямо пропорционален входному напряжению. Таким образом схема является источником тока (гальваностатом), управляемым напряжением. Недостатком данной схемы является невозможность заземлить R_н.

 

 

Усилитель-сумматор

Усилитель имеет три независимых входа. Если к каждому из входов приложены напряжения, то для точки суммирования А можно записать:

Учитывая, что точка А имеет потенциальный нуль, токи могут быть записаны как:

Откуда:

В общем случае при наличии n входов

где отношение R0/Ri называется масштабным коэффициентом по соответствующему входу. В частном случае, когда R1=R2=R3=...=Rn

 

11. Гиратор

 

Основное применение гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность.

Назначение гиратора - поменять знак комплексного сопротивления цепи, а на приведённой схеме — инвертировать действие конденсатора. Желаемый импеданс цепи, который мы хотим получить, можно описать как Z=Rн+jwL

То есть это последовательно соединённые индуктивность L и сопротивление R. Из схемы видно, что импеданс имитированной индуктивности соединён параллельно с импедансом C и R

В случае, когда R много больше чем R_L, то это выражение принимает вид

Zвх=Rн+jwRнRC

Таким образом мы получаем последовательно соединённые сопротивление Rн и индуктивность L = RнRC.

Основное отличие от истинной индуктивности здесь проявляется в том, что присутствует параллельное RC, и в том, что Rн обычно значительно больше, чем в реальных катушках.

 

Лекция 10