Тема 4. Операционные усилители

Тема 3. Шумовые свойства усилителей.

Источники шумов усилителей. Тепловой, дробовой и фликкер шумы. Оценка средней мощности шумовых флуктуаций. Коэффициент шума усилителя. Коэффициент шума многокаскадного усилителя. Пути улучшения шумовых свойств усилителей. Сравнительный анализ шумовых характеристик усилителей на биполярных и полевых транзисторах.

Классификация операционных усилителей. Основные электрические характеристики. Схемы подключения операционных усилителей к источникам питания и сигналов. Отрицательная и положительная обратные связи. Инвертирующий и неинвертирующий усилители и сумматоры сигналов, дифференциальных усилительный каскад, логарифмический и антилогарифмический усилители, преобразователь ток-напряжение, источник тока и напряжения.

В лабораторной работе исследуются усилители-сумматоры сигналов на операционных усилителях (ОУ), в которых используется инвертирующее, неинвертирующее и комбинированное подключение источников сигнала к входам операционного усилителя (рисунок, а – в).

В зависимости от способа подключения ОУ к источнику питания различают симметричное и асимметричное включения. При симметричном включении используются два разнополярных источника питания, вывод ОУ + подключается к +, а вывод –– к –. Динамическая характеристика ОУ (зависимость от ) симметрична относительно центра координат.

При асимметричном подключении используется один источник питания, вывод ОУ + подключается к +, а вывод –– к общей шине. Динамическая характеристика ОУ в этом случае смещается вверх и вправо.

Инвертирующее включение. Сигналы от источников подаются на инвертирующий вход ОУ. Выходное напряжение для изучаемой схемы (рисунок, а) определяется суммой его составляющих:

= + ,

где – сигнал, подаваемый с выхода потенциометрического делителя напряжения ; – сигнал, подаваемый с выхода источника ; =

= –/ – коэффициент усиления по первому входу; = –/– коэффициент усиления по второму входу. Знак «–» означает изменение полярности выходного сигнала.

Входное сопротивление усилителя по каждому из входов и будет определяться соответственно сопротивлениями и . Выходное сопротивление усилителя определяется выходным сопротивлением ОУ

R ₂  

Усилители-сумматоры сигналов на операционных усилителях:

а – инвертирующий сумматор; б – неинвертирующий сумматор;

в – вычитающий усилитель

и коэффициентом усиления : = /(1 + ) ® 0.

В рассматриваемой схеме в качестве источника сигналов используется генератор гармонических сигналов. Второй источник сигналов на потенциометрическом делителе используется для задания постоянного сигнала требуемого уровня.

Сопротивление используется для минимизации сдвига и дрейфа нуля, обусловленного асимметрией плеч ОУ, и обеспечивает равенство токов инвертирующего и неинвертирующего входов: = || || .

Неинвертирующее включение. Сигналы от генератора гармонического сигнала и источника постоянного смещения подаются через сопротивления и на неинвертирующий вход ОУ (рисунок, б). Так как сопротивления , и образуют потенциометрический делитель, коэффициент передачи (деления сигнала) по каждому из входов будет определяться коэффициентами деления и :

= / (+ ); = / (+ ).

При неинвертирующем включении ОУ коэффициент усиления сигнала определяется соотношением = 1 + / , а суммарный коэффициент деления с учетом действия делителей напряжения – соответственно:

= [/(+ )](1 + /); = [/(+ )](1 + /).

Так как входное сопротивление ОУ достаточно велико, то входные сопротивления усилителя-сумматора и будут определяться значениями сопротивлений потенциометрических делителей:

= + ; = + .

Для обеспечения равенства входных токов ОУ и минимизации сдвига нуля необходимо выполнить условие

(|| + ) || (+ ) || = || .

Использование в первой (рисунок, а) и во второй (рисунок, б) схемах источников постоянного смещения на потенциометрическом делителе позволяет исследовать изменение фазы выходных сигналов при инвертирующем и неинвертирующем включениях ОУ.

Если сигнал подается от одного источника, использовать сопротивления , и не надо и входное сопротивление усилителя будет определяться входным сопротивлением ОУ = ® ∞. При ® ∞ и

® 0 получаем повторитель напряжения = 1.

Вычитающий усилитель. Для вычитающего усилителя сигналы подаются как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы ОУ (рисунок, в).

Сигнал на выходе усилителя будет определяться соотношением

= + ,

где = /(+ )(1 + /) и = –/– коэффициенты передачи соответственно по неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ, и – сигналы, подаваемые на неинвертирующий и инвертирующий входы. На оба входа ОУ подается сигнал от одного и того же источника сигнала, в качестве которого используется генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). При этом на первый вход сигнал подается непосредственно от источника, а на второй вход – через потенциометрический делитель напряжения . Рассматриваемая схема позволяет получить на выходе усилителя сигналы ГЛИН положительной или отрицательной полярности в зависимости от коэффициента деления, задаваемого с помощью . Входные сопротивления усилителя по каждому из входов и будут определяться с учетом неинвертирующего и инвертирующего подключения по ранее приведенным соотношениям. При выполнении условия = =

= = = получаем равные по модулю, но отрицательные по знаку коэффициенты передачи сигналов = . Такой вычитающий усилитель используется как дифференциальный усилитель (ДУ) для подавления синфазного (одинаковой амплитуды и фазы) и усиления дифференциального (одинаковой амплитуды, но противоположной фазы) сигналов. Недостатком ДУ на одном ОУ являются относительно низкие входные сопротивления по входам, которые будут определяться в основном сопротивлениями , и . Для повышения входных сопротивлений ДУ можно использовать на входе буферные каскады, реализованные на ОУ по схеме неинвертирующего усилителя.

Рекомендации к выбору номиналов сопротивлений усилителей. Необходимо помнить, что сопротивления, подключаемые к выходу ОУ, не должны быть менее предельно допустимой нагрузки данного ОУ. Это вызвано необходимостью ограничения выходного тока ОУ. Поэтому сопротивления, используемые в цепи отрицательной обратной связи ОУ, должны быть не менее : сопротивление для инвертирующего сумматора, для неинвертирующего сумматора, для вычитающего усилителя. Эти сопротивления берутся в диапазоне 10¼100 кОм. Остальные сопротивления схемы вычисляются, исходя из условия обеспечения требуемого коэффициента усиления и входного сопротивления усилителя.

Контрольные вопросы

1. Перечислите особенности инвертирующего и неинвертирующего включений операционного усилителя.

2. Какие сопротивления схем инвертирующего и неинвертирующего включений ОУ влияют на коэффициент передачи усилителя?

3. Какие сопротивления схем включения ОУ влияют на входные сопротивления усилителей?

4. Какие сопротивления схем включения ОУ влияют на сдвиг и дрейф нуля усилителя?

5. Возможно ли обеспечение требуемого коэффициента передачи усилителя при произвольных соотношениях сопротивлений, используемых в цепях ОУ?

6. Что влияет на выходное сопротивление усилителя?

7. При каких условиях обеспечивается максимальное подавление синфазного сигнала в ДУ?

8. Допускается ли подключение к выходу ОУ нагрузки произвольного номинала?

9. Зависят ли сдвиг и дрейф нуля ОУ от сопротивления источника сигнала?

10. Как изменится динамическая характеристика ОУ при изменении схемы его подключения к источнику питания?

Дата добавления: 2014-01-06