Операционные усилители

Развитие микросхемотехники изменяет подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Ранее при создании на дискретных компонентах разработчики стремились найти наиболее простое решение устройств, в первую очередь стремились уменьшить число активных компо­тов схемы (диодов,транзисторов). Такой подход обеспечивал снижение стоимости аппаратуры и ее высокую надежность. При разработке аппаратуры на интегральных микросхемах (ИМС) разработчик стремится использовать готовые микросхемы, обладающие наименьшей стоимостью. Их схемные решения тщательно проработаны и обеспечивают высокие показатели работы аппаратуры. Наиболее распространенной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ), в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем. Современный операционный усилитель имеет параметры: чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению , большое входное сопротивление , малое выходное сопротивление . ОУ является усилителем постоянного тока, т.е. усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. Современные ОУ используют схемы каскадов, которые гораздо сложнее рассмотренных, дополнительные элементы обеспечивают повышение входного сопротивления, дополнительную стабилизацию режима покоя, повышение коэффициента усиления и т.д. Схемы ОУ могут насчитывать несколько десятков транзисторов.

На рис.2.9 приведено условное обозначение ОУ. ОУ имеет два входа: прямой (обозначается знаком ” + ”) и инверсный (обозначается знаком ” - ”). При этом выходное напряжение ОУ:

,

где К_U – коэффициент усиления ОУ по напряжению.

ОУ питается биполярным напряжением ± Еп.

Рис. 2.9. Условное обозначение ОУ.

Схемы включения ОУ. ОУ могут включаться по двум схемам (рис. 2.10). Каждая схема имеет один вход либо прямой, либо инверсный. Другой вход не используется (нулевой потенциал).

а) б)

Рис. 2.10. Схема неинвертирующего (а) и инвертирующего (б) ОУ.

Для инвертирующей схемы выходное напряжение U_ВЫХ = - К_UU_ВХ2, а для неинвертирующей .

Основной характеристикой ОУ является переходная характеристика Uвых = f (Uвх). Характеристика имеет два участка (рис. 2.11а): участок “а” определяется зависимостью Uвых = К_U (Uвх), т.е. линейно связывает Uвых и Uвх. (режим усиления). Участок “б” ограничивает выходное напряжение на уровнях ± Еп. Переходная характеристика для инверсной схемы является зеркальной по отношению к неинверсной схеме включения ОУ.

а) б)

Рис. 2.11. Переходные характеристики (а) и диаграммы работы (б) ОУ.

Рис. 2.12. Схема ОУ с обратной связью.

Обратная связь в ОУ. Несмотря на то что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилительных устройств, непосредственно в качестве усилителя ОУ не применяется. Это связано с двумя причинами: во-первых, линейный участок “а” на передаточной характеристике (см.рис.2.11) ограничен весьма малыми напряжениями U_ВХ.max.т.к. участок “а” из–за высокого коэффициента усиления практически вертикальный. При увеличении входного напряжения за эти границы выходное напряжение на участке “б” не изменяется, т.е. наблюдаются нелинейные искажения сигнала. Во-вторых, коэффициент усиления ОУ меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах и очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, что обусловлено сильной зависимостью от температуры транзисторов, входящих в состав ИМС. Эта нестабильность К_U затрудняет создание усилительных устройств.

Для улучшения параметров усилительных устройств (расширение участка “а”) применяют ОУ с обратной связью (ОС). На рис.2.12 приведена схема инвертирующего усилителя на базе ОУ.

Ток I* является внутренним входным током ОУ и определяется как

I* = Iвх + Iос

Из–за большого внутреннего входного сопротивления ОУ

I*» 0, т.е. Iвх = -Iос.

С учетом Iвх = Uвх / Rвх и Iос = Uвых / Rос можно получить выражение для коэффициента усиления ОУ с ОС:

К_Uос = Uвых / Uвх = - Rос/ Rвх

Т.е. коэффициент усиления ОУ с ОС задается соотношением входного сопротивления и сопротивления обратной связи. Поэтому в схеме с ОС можно задать практически любой коэффициент усиления.

Таким образом, введение ОС позволяет расширить линейную область передаточной характеристики и уменьшить нелинейные искажения.

Дата добавления: 2014-01-15