 |
Операционные усилители (ОУ)
|
|
|
|
Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителя KU 
, Rвх 
, Rвых 
0, 
f . ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним – усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 69.
Рис. 69. Графическое изображение ОУ
Выходное напряжение связано с входным напряжением Uвх1 и Uвх2 соотношением:
где КU0 – коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем.
Операционный усилитель характеризуется следующими параметрами:
-коэффициент усиления по напряжению.
-амплитудно-частотная характеристика:
- 
- частота единичного усиления fед – это частота, на которой коэффициент усиления КU0=1;
- входное сопротивление Rвх. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы;
- выходное сопротивление Rвых обычно составляет сотни Ом;
- входные токи Iвх(-) и Iвх(+) - это токи, протекающие по входным шинам;
- выходной ток Iвых - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность.
- скорость нарастания выходного сигнала V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах/микросекунду;
- напряжение смещения Uсм. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно “0”. Обычно Uсм от единиц микровольт до десятков милливольт;
|
|
|
- мощность (или ток) потребления;
- дрейф напряжения смещения 
Uсм/градус;
- дрейф разности входных токов 
Iвх/градус;
- коэффициент подавления синфазных помех. Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно-допустимых основных эксплуатационных параметров.
Классификация ОУ. Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания. В зависимости от назначения ОУ можно подразделить на пять групп:
Универсальные ОУ (общего применения) – имеют средние характеристики, небольшую стоимость и применяются в большинстве приборов.
Прецизионные ОУ используются для усиления малых сигналов в информационно-измерительной аппаратуре. Такие ОУ должны иметь большой коэффициент усиления, малый уровень шумов, малые значения напряжения смещения, дрейфа напряжения смещения и дрейфа разности токов. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции-демодуляции. Например ОУ К140УД21, К140УД24 и др.
Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления fед.
Микромощные ОУ – отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора. Поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми.
Многоканальные ОУ – представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1401УД2.
|
|
|
Активные фильтры – используются для формирования частотной характеристики заданного типа. Активные фильтры представляют собой ОУ, в обратную связь которого включены частотозависимые элементы. Они подразделяются на фильтры низкой частоты, фильтры ВЧ, полосовые фильтры, режекторные (заградительные) фильтры. Для решения конкретных задач в настоящее время разработано множество разнообразных активных фильтров. Наиболее распространенными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и Бесселя. В зависимости от количества частотозависимых цепочек RC активные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д. порядка.
Аналоговые компараторы
Аналоговые компараторы предназначены для сравнения двух аналоговых сигналов между собой или одного входного аналогового сигнала с заданным эталонным уровнем.
Компараторы представляют собой специализированные ОУ с дифференциальным входом и высоким коэффициентом усиления и быстродействием без обратной связи. Обычно они изготовляются в виде интегральных схем. На входы компаратора поступают аналоговые сигналы, а с выхода снимаются напряжение +Un или -Un, т.е. снимается “0” или “1”. Основными параметрами компаратора являются: чувствительность, быстродействие и нагрузочная способность. Компараторы бывают однопороговые и двухпороговые. На рис.81 представлена схема однопорогового компаратора и его передаточная характеристика.
Рис. 81. Однопороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б)
На рис.82 приведена схема двухпорогового компаратора, представляющая собой триггер Шмитта. Компаратор (Рис. 82) охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R1, R2. Меняя соотношение делителя R1R2, можно изменять напряжение срабатывания Uпор.
Рис. 82. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б).
В качестве компараторов используются микросхемы серий К521, К554, К597, К1401. Микросхема К521СА3 – является прецизионным компаратором со стробированием и балансировкой. Микросхема К521СА1 представляет собой два автономных компаратора с одним общим выходом. Микросхема может использоваться для сравнения двух аналоговых сигналов. Микросхема К1401СА1 относится к многоканальным. Здесь в одном корпусе располагаются четыре компаратора.
|
|
|
К импульсным устройствам относятся мультивибраторы, триггеры, одновибраторы, блокинг-генераторы, одновибраторы генераторы линейно-изменяющегося напряжения. Мультивибратор – это электронный узел для формирования импульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами. Он представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель со 100% положительной обратной связью. На рис.89 представлена схема мультивибратора, выполненная на транзисторах.
а) б)
Рис. 89. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б).
Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы Сб1 и Сб2, которые соединяют коллектора транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1. В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.89 б).
Пусть в момент времени t1 транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение Uб2>0, а на базе VT1 Uб1<0 (Uб1= -Un). Емкость Сб1 начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток ig2, а следовательно, и напряжение на Rб1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение Uб1 будет положительным и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и Uk1 
, Uб2 
, Uk2 
. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости Сб2 через открытый транзистор VT1. В момент времени t3 произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени RбCб.
Для симметричного мультивибратора: Rg1=Rg2; Cg1=Cg2; T=1,4RgCg. Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна tф=2,2CбRk. Обычно Rg>3Rk.
Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с положительной и отрицательной обратными связями.
а) б)
Рис. 90. Схема мультивибратора на ОУ (а), временная диаграмма его работы (б)
Здесь ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряжения. При переключении схемы напряжения на инверсном входе ОУ изменяется и конденсатор С перезаряжается до напряжения
|
|
|
где Umax ≈ Un – максимальное напряжение на выходе ОУ.
Затем вновь происходит переключение ОУ. Период следования импульсов зависит от величины положительной обратной связи и от элементов С и Rоос. С емкости С можно снимать пилообразное напряжение.
Одновибратор (ждущий мультивибратор) имеет одно устойчивое состояние и предназначен для формирования прямоугольных импульсов определенной длительности.
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2 через резистор Rg. Запуск схемы, производится импульсом положительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1. При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток Ik1, напряжение Uk1 , напряжение Uб2 , напряжение Uk2 , напряжение Uб1 . Следовательно, из-за положительной обратной связи через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается. После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 Uб2 уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t1 (Uб2>0)
произойдет обратный перепад напряжения. Длительность формируемого импульса TU:
а) б)
Рис. 91. Схема одновибратора (а) и его временная диаграмма работы (б).
|
|
|
