Основные схемы включения операционного усилителя

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 R_вх =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=R_вх 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 f_п, частота единичного усиления f_T, время установления t_уст, 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 K_V(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 f_кр, на которой фазовый сдвиг ОУ равен -π называется критической, а частоту f_ср, 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 f_ср< f_кр. 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 f_кр. Типичные переходные характеристики ОУ с отрицательной обратной связью и f_ср=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: К_V= 20000÷.200000; V_OFF = 0.1...20 мВ; f_T = 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 (f_T = 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 f_ср< f_кр. 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.