Операционные усилители. В настоящее время в измерительных приборах схемы на транзисторах, в том числе и на полевых, используются только в специальных случая

В настоящее время в измерительных приборах схемы на транзисторах, в том числе и на полевых, используются только в специальных случая, когда необходимо достичь каких-либо экстремальных характеристик электронной схемы. Основное место в измерительной радиоэлектронике прочно заняли схемы на операционных усилителях. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой интегральную микросхему с не­сколькими выводами (для измерительных ОУ обычно 5-8), в том числе два сигнальных – инвертирующий и неинвертирующий входы (рис. 1.16). Схемотехнически ОУ есть сложная электронная схема, которая выполнена на одном полупроводниковом кристалле, выполняет функции дифференциального усилителя постоянного тока и содержит более 10-100 транзисторов, диодов, сопротивлений, конденсаторов. Операционные усилители характеризуются очень большим коэффициентом усиления (10⁵ - 10⁷), боль­шим входным и малым выходным сопротивлениями (импедансом), возможностью изменения выходного сигнала почти в полном диапазоне напряжения пи­тания (обычно биполярного -15В - +15.В). Вследствие колоссального коэффициента усиления по напряжению (бо­лее 100 000) ОУ никогда не используются без обратной связи. При наличии петли обратной связи характеристики усилителя зависят только от характери­стик

схемы обратной связи.

Основные преимущества схем на операционных усилителях:

· Высокое входное сопротивление и малое выходное сопротивление

· Подавление синфазных помех (т.е. помех, одновременно поступающих на входы ОУ)

· Высокое быстродействие и малая постоянная времени

· Возможности программного управления

Недостатки операционных усилителей достаточно относительны и во многом исправляются соответствующими схемными решениями. К наиболее существенным можно отнести:

· Входной ток ОУ отличен от нуля (порядка 10^-8А), причем существует вход­ной ток сдвига, т.е. разность токов между входами ОУ.

· Диапазон синфазного сигнала ОУ ограничен, т.е. существенно меньше на­пряжения питания, что ограничивает и диапазон дифференциального сиг­нала

· Существует температурная зависимость характеристик ОУ, зависимость вы­ходного напряжения от тока нагрузки.

Конструкция любого операционного усилителя, охваченного петлей об­ратной связи, такова, что его поведение в любой схеме подчиняется двум ос­новным правилам:

· Напряжение на выходе операционного усилителя с обратной связью стре­мится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

· Входы операционного усилителя тока не потребляют. В реальности вход­ные токи операционных усилителей составляют не более 10-100 нА, что в большинстве случаев действительно позволяет пренебречь то­ками утечки.

Опираясь на эти принципы можно провести приближенный расчет любой схемы на базе операционного усилителя. Рассмотрим пример такого расчета применительно к схеме инвертирующего усилителя (Рис.1.14). Напряжения на обоих входах усилителя равны, следовательно на инвертирующем входе ОУ оно будет равно 0. Поскольку входы ОУ тока не потребляют, то через сопро­тивления R₁ и R₂ течет рав­ный ток I и падение напря­жения на них соответст­венно равны: U_вх = I×R₁, U_вых = I×R₂

Отсюда находится коэф­фициент передачи (коэффи­циент усиления) такого усилителя:

Величина входного сопро­тивления операционных усилителей зависит как от его собственных характеристик, так и от схемы подключения В измерительных схемах на входе обычно требуются схемы с высоким входным сопротивлением (порядка 1 МОм) и очень низким выходным (1-0,1 Ом). Величина входного сопротивления в пер­вую очередь зависит от токов утечки микросхемы ОУ, поэтому ис­пользуют специальные малошумящие операционные усилители, входные каскады которых изготовлены на базе полевых транзисторов с ничтожными токами утечки (на уровне 1 -10 пА).

Некоторые упрощенные типовые схемы на операционных усилителях, которые часто используются в приведены на рис. 1.16 – рис.1.19.

Повторитель на операционных усилителях (рис. 1.17а) не только полностью заменяет эммитерные или истоковые повторители, но предоставляет дополнительные возможности, как например, отслеживание постоянства коэффициента передачи переменного сигнала при изменении постоянной составляющей сигнала.

В цепи обратной связи ОУ течет очень маленький ток, следовательно и мощность, рассеваемая на сопротивлениях обратной связи также очень мала. Это позволяет легко управлять коэффициента усиления схемы путем введения в цепь обратной связи набора резисторов, подключение которых осуществляется через электронный коммутатор (рис. 1.17б), подключаемый непосредственно к портам ввода/вывода микропроцессора, входящего в состав измерительного прибора или платы ввода/вывода.

Сигнал на выходе дифференциального усилителя (рис.1.18а) равен разности сигналов, поступающих на его инвертирующий и неинвертирующий входы. Отсюда следуют его основные применения:

· измерение малых переменных сигналов на фоне большой постоянной составляющей. Для этого на один вход ОУ подается измеряемый сигнал, а на второй вход - постоянное напряжение, максимально близкое к постоянной составляющей сигнала;

· снижение уровня шумов и помех, которые, при равенстве их величины в каждом из каналов, будут взаимно вычитаться и отсутствовать в результирующем сигнале на выходе.

Входное сопротивление схемы измерительный преобразователь тока в напряжение (рис. 1.18б) практически равно нулю. Поэтому эта схема на базе операционного усилителя является идеальным устройством для работы с источниками тока, прежде всего фотоприемными диодами.

Дифференцирующий усилитель (рис. 1.19а) используется для разделения переменной и постоянной составляющих сигнала, частотной фильтрации, а также для выделения фронтов импульсных сигналов, что прежде всего применяется при синхронизации измерительных приборов. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя определяется постоянной времени RC цепи обратной связи. Сопротивление R ₁, указанное на схеме, в принципе не обязательно, оно только дополнительно корректирует АЧХ усилителя.

Постоянная времени интегрирующего усилителя (рис. 1.19б) определяется величиной емкости С в цепи обратной связи и входным сопротивлением R ₁. Интегрирующие усилители используются в качестве частотного фильтра и как интегратор, близкий к идеальному. Подобные схемы стоят на входе практически всех типов аналого-цифровых преобразователей.

Дата добавления: 2015-03-31