Основы применения интегральных операционных усилителей
8.3. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Интегральный ОУ — это конструктивно законченный усилитель, изготовляемый в едином технологическом цикле на одной подложке в виде интегральной микросхемы. По размерам микросхема ОУ не отличается от обычного транзистора. По принципу действия ОУ аналогичен обычному УПТ, но отличается повышенными качественными параметрами: большим коэффициентом усиления по напряжению k0, высоким входным сопротивлением RBХ и низким выходным сопротивлением RBЫХ.
Рис. 79. Принципиальная схема и условное графическое изображение ОУ
По схемному решению — это построенный на интегральных n-p-n-транзисторах трехкаскадный усилитель, включающий дифференциальный входной каскад, схему сдвига постоянного уровня и выходной каскад мощности в виде эмиттерного повторителя (рис. 79, а). Стабильность работы ОУ помимо специальной технологии изготовления обеспечивается применением двух дифференциальных каскадов усиления напряжения на транзисторах VT1, VT2 и VT4, VT5. Ток входного дифференциального каскада задается генератором стабильного тока (ГСТ), построенного на базе транзисторов VT3 и VT6, включенного по схеме диода. ГСТ обеспечивает постоянство суммы эмиттерных токов. Ток второго дифференциального каскада не фиксируется ГСТ.
Дифференциальные каскады в силу симметричности усиливают составляющую тока, определяемую только разностью входных сигналов, и подавляют синфазные составляющие, одинаковые для каждого транзистора и связанные с воздействием температуры, помехами, наводками. Как следствие из этого вытекает пригодность ОУ к работе в качестве усилителя постоянного тока.
C применением дифференциального каскада связано наличие двух входов усилителя: инвертирующего И-вх (знак выходного сигнала не совпадает со знаком входного сигнала) и неинвертирующего Н-вх (знаки совпадают), который иногда называют прямым входом. Указанные входы на условном графическом изображении ОУ (рис. 79, б) обозначены знаками «минус» (И-вх) и знаком «плюс» (Н-вх).
Второй каскад усиления образует транзистор VT7 и последовательно включенный резистор R, Транзистор VT7 собран по схеме эмиттерного повторителя и в качестве нагрузочного сопротивления имеет ГСТ на транзисторе VT8. Каскад служит для сдвига уровня сигнала, выделяемого на эмиттере транзистора VT7 путем сложения о постоянным напряжением, создаваемым на резисторе R током ГСТ.
Рис. 80. Схема включения ОУ с OC
Для согласования усилителя с низкоомной нагрузкой (входом мощного транзистора, обмоткой реле) выходной каскад ОУ выполнен на транзисторе VT9, включенном по схеме эмиттерного повторителя. Для обеспечения работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами в цепь питания ОУ включены два разнополярных источника питания En со средней точкой. Элементы частотной коррекции RK, СК (рис. 79, б) обеспечивают необходимую устойчивость ОУ.
Различают три класса ОУ: низкого (k0 < 2·104, RВХ ? 100 кОм), среднего (k0 ? 2·106, RВХ ? 0,5 МОм, Iвх = 100 нА) и высокого (k0 > 108, RВХ > 1 МОм, Iвх ? 10 нА) качества.
Реальные ОУ обладают электрическими параметрами, отличающимися от идеальных. Однако в дальнейшем для простоты будем рассматривать идеальный ОУ с входным сопротивлением #вх ~ °°» выходным сопротивлением RВЫХ = 0, собственный коэффициент усиления которого k0 = ?.
Название операционные усилители получили благодаря способности выполнять математические операции (суммирования, интегрирования) над аналоговыми сигналами. Для реализации математических действий ОУ охватывают глубокой отрицательной OC с коэффициентом kОС (рис. 80). При этом на входе усилителя будут действовать входной управляющий сигнал и сигнал OC с выхода ОУ. За счет наличия отрицательной OC усилитель становится замкнутым контуром регулирования с коэффициентом передачи, определяемым по формуле
Пренебрегая малой величиной 1/k0, получаем
и делаем вывод, что коэффициент передачи ОУ, охваченного OC, не зависит от параметров самого усилителя, а определяется обратной связью.
Сумматор сигналов строится на ОУ в инвертирующем включении (рис. 81, в). B этом случае входные напряжения через добавочные резисторы R1, R2, ... , Rn подаются на инвертирующий вход усилителя. Чтобы определить значение выходного напряжения, запишем для узла в точке A первый закон Кирхгофа с учетом того, что в идеальном ОУ входной ток равен нулю
Выходное напряжение отсюда
При условии RОС = R1 — R2 = Rn = R напряжение на выходе будет равно искомой сумме UBЫX = —(U1 + U2 + ··· + Un).
Интегратор на основе инвертирующего ОУ получается путем замены резистора RОС на конденсатор C (рис. 81, г). Так как во входную цепь идеального ОУ ток не втекает, то при подаче входного сигнала через резистор R течет ток заряда конденсатора iR = iС. C учетом значений токов iR=UВХ/R и iС=CdUВЫХ/dt получаем равенство
из которого определяем выходное напряжение
Из выражения (232) следует, что усилитель работает как интегратор с постоянной времени T = CR. При входном сигнале типа единичного скачка выходное напряжение UВЫХ= —(UВХ/T)t изменяется по линейному закону. Это свойство используют при создании генераторов пилообразного напряжения.
Если входной сигнал изменяется по гармоническому закону UВХ= Umaxsin ?t, то на выходе ОУ будет напряжение
Таким образом, амплитуда выходного сигнала равна –Umax/(?1RC), а отношение амплитуд выходного и входного сигнала —1/(?RC) обратно пропорционально круговой частоте ?. Передаточную функцию звена W(p) = —l/(Tp) можно получить непосредственно из выражения (231) заменой d/dt = p.
Рис. 82. Неинвертирующее включение ОУ
Дифференциатор на основе ОУ изображен на рис. 81, д. Так как для идеального ОУ ток, проходящий через резистор R, является током заряда конденсатора, то
Заменяя p=d/dt в выражении (233), получаем передаточную функцию W(p)=—Tp дифференцирующего звена.
Неинвертирующее включение ОУ. При таком включении решающим входом является прямой вход (см. рис. 82, a). В цепи OC использован делитель напряжения на резисторах Roc и R2, определяющий глубину отрицательной OC: Roc= R2/(ROC + R2).
Коэффициент передачи идеального усилителя согласно выражению (229) при такой схеме включения
Как особый случай следует рассмотреть включение ОУ по прямому входу при R2 = ? и Roc = 0 (см. рис. 82, б). Согласно выражению (234) kП=1, и схема выполняет роль повторителя напряжения. Подобно эмиттерному повторителю, повторитель напряжения находит применение для согласования сопротивлений источника и входного каскада усилителя.
Нелинейные схемы включения ОУ. При таком включении используют оба входа ОУ.
Компаратор. Это устройство, построенное на основе ОУ без OC и предназначенное для сравнения непрерывного входного сигнала UBX c постоянным по значению опорным напряжением UОП (рис. 83). В зависимости от способа подачи сравниваемых сигналов компараторы делят на одновходовые и двухвходовые. Одновходовой (рис. 83, а) компаратор предназначен для сравнения разнополярных входного и опорного напряжений. Двухвходовой (рис. 83, б) сравнивает сигналы одной полярности, поданные на разные входы.
Принцип действия обоих компараторов одинаков и основан на использовании дифференциального каскада, реагирующего на разность входных сигналов. А так как ОУ, не охваченный OC, усиливает эту разность с большим коэффициентом усиления k0, то напряжение UВЫХ быстро возрастает до некоторого положительного UВЫХmax или отрицательного UВЫХmax уровня в зависимости от знака разности. Для схемы на рис. 83, а
Для схемы на рис. 83, б
Рис. 83. Компаратор
Точность сравнения компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить уровень UОП, чтобы произошло переключение уровней. Поскольку компараторы преобразуют входной непрерывный сигнал в дискретную величину на выходе, они относятся к дискретным элементам.
Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ). Основу ГПИ (рис. 84, а) составляет ОУ, в котором задействованы оба входа. За счет применения положительной OC по прямому входу ОУ приобретает свойства компаратора, а за счет применения отрицательной OC по инвертирующему входу, содержащему RC-элементы, создает режим генератора.
Форма напряжения на неинвертирующем входе соответствует форме выходного напряжения, а его значение ослаблено в ? раз, где ? — коэффициент передачи сигнала, определяемый ? = Roc/RВЫХ = R3/(R2 + R3). Поскольку при включении ОУ положительная ОС мгновенно вводит его в режим насыщения, то на выходе ОУ устанавливается один из уровней
U+ВЫХmax (U ЇВЫХmax). По цепи прямой связи ОС на прямой вход поступает напряжение ?U+ВЫХmax, по цепи отрицательной ОС выходной сигнал будет дифференцироваться и за счет заряда конденсатора возрастать по экспоненте. Время, в течение которого уровень на выходе ОУ остается постоянным, будет определяться временем tи заряда конденсатора C. В момент, когда напряжения на обоих входах сравняются Uc = ?U+ВЫХmax (рис. 84, б), выходное напряжение ОУ переключится на другой предельный уровень U ЇВЫХmax. С этого момента начнется перезаряд конденсатора до значения ?U ЇВЫХmax. Процесс генерации будет продолжаться до выключения ОУ. B результате на выходе ОУ вырабатываются симметричные прямоугольные импульсы, длительность которых tи = Т/2.
Рис. 84. ОУ в режиме генератора
Генератор импульсов треугольной формы (ГТИ). ГТИ можно получить на основе ГПИ, подавая напряжение с его выхода на генератор, выполненный на RC-цепочке или на ОУ,
Схема генератора, изображенная на рис. 84, в, построена на двух ОУ. Усилитель DA1 включен по схеме компаратора для формирования прямоугольных импульсов, поступающих на вход усилителя DA2, включенного по схеме интегратора. Выходное напряжение DA2 при поступлении на его инвертирующий вход прямоугольного импульса определенной полярности изменяется линейно. Это напряжение по цепи отрицательной OC через резистор R подается на инвертирующий вход DA1. В тот момент, когда оно сравняется с напряжением на неинвертирующем входе, на выходе DA1 появится импульс другой полярности. Конденсатор C начнет разряжаться до нуля, а потом перезаряжаться до нового уровня с частотой, определяемой частотой переключения ГПИ (рис. 84, г).
Назад | Содержание
| Вперед
