Основные схемы включения операционного усилителя
Реферат
Основные
схемы включения операционного усилителя
Параметры и свойства устройств обработки
сигналов, использующих ОУ в качестве базового элемента, существенно зависят от
схемотехнических решений, применяемых в соответствующих устройствах. В связи с
эти необходимо рассмотреть основные схемы включения ОУ и сопоставить их
характеристики.
а) Дифференциальное включение
Рис. 1. Дифференциальное включение ОУ
Нa рис. 1 приведена схема дифференциального включения
ОУ. В силу свойств идеального ОУ разность потенциалов между его неинвертирующим
p и инвертирующим n
входами равна нулю, а I1=I2. Учитывая это можно показать,
что
(1)
Если выполняется соотношение R1R4
= R2R3, то
б) Инвертирующее включение
При инвертирующем включении (рис. 2)
неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.
Рис. 2. Инвертирующее включение ОУ; а - типовое,
б - с Т-образным включением резисторов обратной связи
В типовой схеме (рис. 2а) R3 = ∞,
a R4 = 0 и из формулы (1) следует
(2)
Таким образом, выходное напряжение ОУ в
инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному.
Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению в зависимости от
соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше единицы, так и
меньше единицы.
В силу свойств идеального ОУ потенциал
незаземленного инвертирующего входа при заземленном неинвертирующем входе также
равен нулю. Поэтому инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным
нулем или мнимой землей. При этом входной ток схемы I1= V2/R1,
а входное сопротивление схемы Rвх =R1.
Если от схемы необходимо получить высокое
усиление, то в соответствии с формулой (2) придется либо применить резистор R1
с очень низким сопротивлением, либо использовать высоокоомный резистор R2.
В первом случае низким R1=Rвх нагружается источник
входного сигнала, во втором - снижается стабильность коэффициента усиления. В
этом случае задача решается применением в цепи обратной связи четырехполюсника
в виде Т-образно включенных резисторов (рис. ). На основании свойств 2 и 3
идеального ОУ и законов Кирхгофа можно записать систему уравнений
электрического равновесия схемы, решив которую можно прийти к следующему
выражению для коэффициента усиления:
Рис. 3. Неинвертирующее включение ОУ
в) Неинвертирующее включение
При неинвертирующем включении входной сигнал
подается на неинвертируютий вход ОУ, a на инвертирующий вход через делитель на
резисторах R1 и R2, поступает сигнал с выхода усилителя.
Коэффициент усиления схемы можно найти,
предположив, что в формуле (1) при дифференциальном включении V2 =
0,R3 = 0, a R4 = ∞. Получим
(3)
Как следует из выражения (3) выходной сигнал
синфазен со входным и коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше
единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим
входом, коэффициент усиления равен единице. Такую схему называют
неинвертирующим повторителем. Ее входное сопротивление в идеале бесконечно. У
повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя
и весьма велико.
Примечание. Для упрощения анализа схем с
операционным усилителем, работающим в линейном режиме, обычно используют две
предпосылки: а) разность потенциалов между входами равна нулю; б) входные токи
усилителя равны нулю.
Динамические характеристики ОУ (полоса
пропускания fп, частота единичного усиления fT, время
установления tуст, скорость нарастания выходного напряжения)
характеризуют его быстродействие и устойчивость. Они определяются частотной
характеристикой ОУ. Из-за паразитных емкостей и многокаскадной структуры ОУ по
своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка.
Паразитные емкости приводят к появлению обратной связи и вследствие большого
коэффициента усиления ОУ склонны к самовозбуждению (потере устойчивости): даже
при отсутствии сигнала на входе на их выходе могут возникать стационарные или
прерывистые колебания относительно большой амплитуды.
В линейном режиме (при малых входных
сигналах) поведение ОУ во временной области описывается линейным
дифференциальным уравнением, а в частотной - комплексным коэффициентом передачи
(либо
передаточной функцией KV(s))
дробно-рационального вида. Корни полинома в числителе передаточной функции
называют нулями передаточной функции, а корни полинома в знаменателе -
полюсами. Если все полюса передаточной функции ОУ лежат в левой полуплоскости
на комплексной плоскости, то ОУ устойчив. Для устойчивости ОУ с внешней
обратной связью необходимо чтобы в левой полуплоскости находились все корни
характеристического уравнения , где β(s)
передаточная функция четырехполюсника обратной связи.
Устойчивость ОУ удобно исследовать
по асимптотическим характеристикам (диаграммам Боде) - графикам, на которых его
АЧХ и ФЧХ изображаются асимптотически в декартовой системе координат в
логарифмическом масштабе по оси абсцисс и называются соответственно ЛАЧХ и
ЛАФХ. Асимптотической называют характеристику, образованную соединенными
отрезками касательных, проведенных к точной ЛАЧХ с наклоном кратным 20 дБ/дек.
По ней легко определить положение нулей и полюсов передаточной функции
усилителя на частотной оси: они находятся в точках пересечения асимптот.
Частота fкр, на которой
фазовый сдвиг ОУ равен -π
называется
критической, а частоту fср, на которой
модуль петлевого коэффициента усиления называют частотой среза.
Рис. 4. Переходные характеристики ОУ с
отрицательной обратной связью
Для коррекции частотных характеристик применяют
внутреннюю и внешнюю коррекцию. Внутренняя коррекция выполняется разработчиками
ИС ОУ, внешняя может применяться инженерами-разработчиками устройств обработки
сигналов на ОУ. Такую коррекцию выполняют путем введения цепей
частотно-зависимых обратных связей, которые выбирают таким образом, чтобы
скорректировать положение нулей и полюсов передаточной функции ОУ без цепей
обратной связи.
При резистивной обратной связи
коэффициент обратной связи β определяется формулой. В этом
случае для устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью должно выполняться
условие fср< fкр. Степень
устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов)
определяется запасом устойчивости по фазе, под которым понимают разность , где - фазовый
сдвиг сигнала на частоте fкр. Типичные
переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью и fср=100 кГц в
зависимости от α приведены
на рис.4.
В настоящее время промышленностью
выпускаются сотни наименований ОУ. Их можно разделить на группы, объединенные
общей технологией и внутренней структурой, точностными, динамическими или
эксплуатационными характеристиками.
С точки зрения внутренней структуры
ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных
полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые
транзисторы с управляющим p-n-переходом
или МОП-транзисторы используются в дифференциальном входном каскаде. За счет
этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.
ОУ общего назначения - недорогие
усилители со средним быстродействием, невысокой точностью и малой выходной
мощностью. Их типовые параметры: КV=
20000÷.200000; VOFF = 0.1...20
мВ; fT = 0.1... 10
МГц. К этой группе относится большая часть ОУ. Типичные представители: 140УД6,
140УД8, 153УДб; LF411.
Быстродействующие ОУ при средних
точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fT
= 20...1000 МГц, ρ = 10...1000
В/мкс). Типичные представители высокочастотных ОУ обычного типа: 574УДЗ,
154УД4, AD825, AD8042, П65. Заметное повышение скорости нарастания выходного
напряжения дает применение в ОУ обратной связи по току (LM7171, THS3001).
Модели высокоскоростных ОУ с одним
каскадом усиления и низким коэффициентом усиления (менее 10000) отличаются
высокой устойчивостью и не требуют коррекции (AD9632, OPA680). Их
применяют, в основном, для усиления видеосигналов, в качестве буферов для
высокоскоростных АЦП, драйверов для высокочастотных линий передачи.
Микромощные ОУ используются в
устройствах с питанием от гальванических элементов или аккумуляторов. Они
потребляют очень малый ток (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1.2
мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно! невысокие.
Появился целый класс так называемых наноамперных ОУ, работающих при напряжении
питания 3 В и потребляющих при этом ток менее 1 мкА. Примеры: TLV2401 (880 нА)
и сдвоенный LMC6442 (950 нА на усилитель). Такие устройства могут работать от
одной литиевой батарейки непрерывно десятки лет.
Программируемые ОУ дают возможность
разработчику самому выбрать компромисс между малым потреблением и низким
быстродействием. Такой ОУ имеет специальный вывод, который через внешний
резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной
полярности. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ
и увеличению потребляемого тока, увеличение - к обратному результату. Типичные
примеры: 140УД12, 1407УД2, МАХ480. Обычная величина тока потребления для
микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер.
ОУ с однополярным питанием позволяют
питать усилитель от одной батареи или даже одного гальванического элемента,
например (литиевого с напряжением 3 В). Характерная особенность ОУ с
однополярным питанием состоит в том, что диапазон выходных сигналов должен
обязательно лежать в пределах верхнего и нижнего уровней напряжения питания,
даже если диапазон входных синфазных сигналов выходит за эти рамки. При этом
один из этих уровней (в зависимости от полярности напряжения питания) при вязан
к потенциалу земли. Выпускаются ОУ, у которых диапазоны входных и выходных
напряжений могут изменяться от нижнего до верхнего значении питающих напряжений
- так называемые усилители rail-to-rail (от уровня до уровня). Типичный пример:
МАХ495, с потреблением от однополярного источника тока 150 мкА.
Многоканальные ОУ - это микросхемы,
в которых на одном кристалле реализовано два, три или четыре одинаковых ОУ.
Например, микросхема 140УД20 содержит в своем составе два ОУ 140УД7.
Микромощные ОУ MAX406/407/409 включают соответственно
два, три и четыре однотипных усилителя. При применении многоканальных ОУ
необходимо учитывать наличие перекрестных связей между отдельными усилителями в
микросхеме. На высоких частотах такие связи могут достигать уровня 100%.
Например, гармонический сигнал с частотой 10МГц проходит с входа одного
усилителя двухканального ОУ THS4052 на выход другого
практически без ослабления.
Мощные и высоковольтные операционные
усилители. Большинство типов ОУ общего применения рассчитаны на напряжение
питания ±15 В, некоторые допускают питание до ±22 В. К высоковольтным ОУ
относят усилители, имеющие разность положительного и отрицательных питающих
напряжений свыше 50 В. Большинство ОУ с напряжением питания более 100В
выпускается в виде гибридных микросхем. Наряду с этим известны и другие
варианты. Например, фирма Apex microtechnology (США)
выпускает полупроводниковый интегральный ОУ PA41 c номинальным
напряжением питания ±175 В, выходным напряжением ±165В и выходным током до
60мА. Одна из наиболее высоковольтных моделей этой фирмы гибридный ОУ PA69 с
напряжением питания до ±600 В и выходным током до 75 мА. Ом может обеспечить на
нагрузке размах напряжения до ±570В. К мощным ОУ относят усилители, допускающие
выходной ток свыше 100 мА. Например, интегральный ОУ LM12 допускает
выходной ток до 10А и рассеивает мощность до 90 Вт. Гибридный ОУ PA03 допускает
выходной ток до 30А рассеивает мощность до 500 Вт.
Выводы и результаты
1. При разработке схем функциональных узлов
устройств обработки сигналов используют три основных схемы включения ОУ:
дифференциальную, инвертирующую и неинвертирующую. Эти схемы существенно
отличаются друг от друга по величинам коэффициентов усиления, входным и
выходным сопротивлениям, однако во всех схемах они определяются параметрами
резистивных цепей обратных связей.
2. Для повышения устойчивости работы
устройств на ОУ инженерами-разработчиками внешняя коррекция частотных
характеристик ОУ путем введения цепей частотно-зависимых обратных связей,
которые выбирают таким образом, чтобы скорректировать положение нулей и полюсов
передаточной функции ОУ без цепей обратной связи. Для устойчивости ОУ с
резистивной отрицательной обратной связью должно выполняться условие fср< fкр. Степень
устойчивости (а также скорость нарастания и затухания переходных процессов)
определяется запасом устойчивости по фазе - величины фазового сдвига .
сигнал усилитель
цифровой электронный
Список литературы
1. Волович Г.И. Схемотехника
аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд. - М.: ДОДЭКА-XXI,
2007. - 528 с.
2. Полонников Д.Е.
Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника. - М.:
Энергоатомиздат, 1983. - 216с.
. Пейтон А.Дж.,
Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994. -
352с.