Самостоятельная работа №35

« Область применения ОУ»

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.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.

Принципиальная схема интегрального операционного усилителя общего применения типа выпускаемого отечественной промышленностью, приведена на рис. 6.3. Входной. ференциальный каскад ОУ выполнен на транзисторах в эмиттерные цепи которых включен генератор стабильного тока на транзисторе. Каскад обеспечивает высокое входное сопротивление ОУ, так как работает в микроамперном диапазоне токов.

Рис. 6.3.

1.Промежуточный дифференциальный каскад, выполненный на составных транзисторах, обеспечивает основное усиление ОУ. Для снижения влияния температуры окружающей среды и напряжения источников питания создается отрицательная обратная связь за счет протекания общего эмиттерного тока транзисторов через делитель в цепи базы транзистора. Транзисторы обеспечивают сдвиг уровня сигнала. Сигнал после усиления каскадом ОЭ на транзисторе поступает на вход двухтактного эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторах разного типа проводимости - интегральная микросхема ОУ типа принадлежит к операционным усилителям первого поколения. Микросхемы второго поколения ОУ типа по сравению с микросхемой имеют более высокие входное сопротивление и коэффициент усиления при меньших токах потребления. Большим преимуществом микросхем является широкий диапазон допустимого изменения напряжения источника питания (от 20 до 5 В).

2. Прецизионные ОУ, обладающие малыми напряжениями смещения, высокими коэффициентами усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного, малым уровнем шума. К ним относятся микросхемы ОУ типа.

3. Электрометрические ОУ типа, имеющие очень большое входное сопротивление, малые входные токи и шумы.

4. Быстродействующие ОУ типа, предназначенные для усиления импульсных сигналов и сигналов высокой частоты, они имеют широкую полосу пропускания и высокую скорость нарастания выходного напряжения. Однако при этом ухудшаются остальные параметры усилителя в частности, возрастает потребление мощности, что ограничивает применение ОУ как универсального элемента.

5. Микромощные ОУ типа, потребляющие очень малую мощность (в режиме покоя около).

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой и обладает следующими характеристиками:

-Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи Gopenloop.[3]

-Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.

-Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.

-Способность выставить на выходе любое значение напряжения.

-Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

-Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Отличия реальных ОУ от идеального:

Параметры по постоянному току

Ограниченное усиление: коэффициент Gopenloop не бесконечен (типичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от параметра Gopenloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от Gopenloop на 1÷2 порядка или еще меньше).

Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10−9 ÷ 10−12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.

Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение не имеет большого значения на низких частотах или при небольшой ёмкости нагрузки, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).

Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС Uсм. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения Uсм составляют 10−3 ÷ 10−6 В.

Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному току:

Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.

Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.

Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.

Ненулевое время восстановления после насыщения.

Нелинейные эффекты

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение - работа ОУ в режиме компаратора.

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Дата добавления: 2015-05-06