Операционный усилитель, назначение, принцип работы

Назначение и принцип работы многокаскадного усилителя.

Многокаскадные усилители предназначены для создания большой импульсной мощности (до 200 Вт) с длительностью выходного импульса от долей до нескольких миллисекунд.

Назначение и принцип работы многокаскадного усилителя.

Разработка многокаскадных усилителей связана с тем, что получить большой (более 100) коэффициент усиления на одном активном элементе практически нельзя. Многокаскадные усилители должны строиться с таким расчетом, чтобы при большом коэффициенте усиления в устройстве не возникали паразитные колебания. Для исключения паразитных возбуждений приходится применять специальные меры. К ним относятся:

разделение общего коэффициента усиления на нечетное число каскадов;

питание каждого каскада от своего источника (или имеется индивидуальная конденсаторная развязка);

максимальное удаление выхода последнего каскада от входа первого каскада.

На рис. 9.22 показана схема трехкаскадного усилителя с конденсаторной развязкой между каскадами. Режим по постоянному току у каждого каскада свой. Входной переменный сигнал проходит от каскада к каскаду через разделительные конденсаторы.

В схеме, приведенной на рис. 9.23, применяется гальваническая связь между каскадами усилителя при последовательном горизонтальном включении транзистора. Второй каскад собран на транзисторе противоположной полярности.

Для связи каскадов необходимо установить постоянные напряжения в эмиттерах и коллекторах транзисторов.

На рис. 9.24 показана схема усилителя с последовательным «вертикальным» подключением транзисторов, через которые задается ток равный 1 мА. С помощью делителя R₁ R₂ в коллекторах и эмиттерах транзисторов устанавливаются напряжения, указанные в схеме. Это режим усиления по постоянному току. Для режима усиления по переменному току в эмиттеры транзисторов включены конденсаторы. Общий коэффициент усиления каскада K = β₁β₂β₃β₄β₅, где β_i - коэффициент усиления одного каскада. Несмотря на большой коэффициент усиления такая схема более устойчива к возникновению паразитных колебаний, чем две предыдущие схемы.

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.

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго[6]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

K = R ₁ / (R ₁ + R ₂)

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G _openloop) имеем:

V ₊ = V _in

V ₋ = K V _out

V _out = G _openloop(V _in − K V _out)

Решая данную систему относительно V _out / V _in, получаем:

V _out/ V _in = G _openloop/ (1 + G _openloop K )

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G _openloop (много больший, чем 1/ K), то коэффициент G _openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V _out/ V _in = 1/ K = 1 + (R ₂/ R ₁)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Дата добавления: 2015-06-04