По каким критериям необходимо выбирать оу для обеспечения максимального косс всей схемы усилителя
Обновлено: 28.06.2024
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которогоблизки к характеристикам так называемого “идеального усилителя". ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К = 10 4 - 10 6 ), большое входное (Rвх = 0.1-100 МОм) и малое выходное (Rвх = 10-100 Ом) сопротивления.
В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1-10 3 , но одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так какувеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.
ОУ (рис 15.1.) содержит в качестве первого каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления для разности входных сигналов U2 – U1 и низкий коэффициент усиления для синфазных сигналов, т.е. одинаковых сигналов, поданных одновременно на оба входа. Это позволяет уменьшить чувствительность к синфазным сигналам (внешним помехам) и напряжение сдвига, определяемое неидентичностью плеч ОУ.
Рис.15.1. Внутренняя структура операционного усилителя.
За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают необходимое усиление по напряжению и по току.
Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.
Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.
Основные параметры операционных усилителей
1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).
2. Uсдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 - 100 мВ.
6. Rвых - Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.
7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.
8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.
9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.
10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .
11. U пит. - Напряжение питания.
12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.
ОУ имеет несколько вариантов схем включения, которые значительно отличаются по своим характеристикам.
Для анализа работы и расчета характеристик различных схем включения ОУ далее необходимо помнить, что, исходя из свойств ДУ:
1. Разность напряжений между входами ОУ очень мала и может быть принята равной нулю.
2. Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому потребляет очень небольшой входной ток ( до 10 nA).
Основные схемы включения ОУ
В инвертирующем усилителе (рис.15.2.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если Uвх, положительное то напряжение в точке А, а значит и Uд , также станет положительным, а Uвых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины Uд = Uвых / К ≈ 0.
Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало
Рис. 15.2. Инвертирующий усилитель на ОУ
Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, учтем, что , т.к.Rвх усилителя весьма велико. Так как и , то .
Полагая Uд = 0 (так как К → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен
Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение Кос.
Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1.. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.
Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ (рис.15.3) с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.
Как и ранее, считаем, что , поскольку Rвх → ∞.
Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно, поэтому
15.3. Неинвертирующий усилитель на ОУ
Так как Uвых = Uд · К и Uд=Uвых / К, при К → ∞ и Uд ≈ 0, можно написать, что . Решая уравнение , получим выражение для коэффициента усиления с замкнутой обратной связью Kос , (15.3)
В схеме повторителя напряжения на ОУ (рис.15.4) Uвых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ - Uд , то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · К.
Рис.15.4. Повторитель напряжения на ОУ
Выходное напряжение ОУ Uвых = Uвх + Uд . Так как Uвых = Uд · К, получим, что Uд = Uвых/К. Следовательно, . Так как К велико (К → ∞), то Uвых/К стремится к нулю, и в результате получаем равенство Uвх = Uвых.
Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным Uос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.
Рис. 15.5. Усилитель с дифференциальным входом
Если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R?ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос, где .
Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление,
Решая полученное уравнение относительно Uвых, имеем:
Подставляя выражение для Uос, получим:
Если положить R1 = R2 и Roc = R´oc (ситуация, которая наиболее часто встречается), получим . Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2.
Очевидно, что если U2 на рис.15.5 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.
где b = R1/(R1 + R2) - коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи. Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U1/rд(1 + KUb). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1 + KUb.
Согласно рис. 12, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:
Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10 9 Ом. Следует однако помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно бoльшие значения.
Рис. 15.6. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ.
Выходное сопротивление ОУ операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением:
При подключении нагрузки происходит некоторое снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых, которое передается на вход усилителя через делитель напряжения R1, R2. Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения.
В общем случае выходное сопротивление может иметь достаточно высокое значение ( в некоторых случаях от 100 до 1000 Ом. Подключение цепи ОС поволяет уменьшить выходное сопротивление.
Для усилителя, охваченного обратной связью, эта формула принимает вид:
При этом величина Uд не остается постоянной, а изменяется на величину
Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет
Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dUд , получим искомый результат:
Если, например, b = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а KU = 10 5 , то выходное сопротивление усилителя снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы пропускания усилителя fп, Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться, т.к. величина |KU| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более fт становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.
Динамические параметры ОУ , характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания fп, частота единичного усиления fт и время установления tу. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (DUвых 1, так что эффективная ширина полосы пропускания действительно увеличивается при использовании обратной связи. Это явление показано на рис.8, где f1oc > f1 для усилителя с коэффициентом усиления равным 40 дБ.
Если скорость спада усилителя составляет 6дБ/октава, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания постоянно: Kf1 = const. Чтобы убедиться в этом, умножим идеальный коэффициент усиления на низких частотах на верхнюю частоту среза того же усилителя при наличии обратной связи.
Тогда получим произведение усиления на полосу пропускания:
, где К – коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах.
Если раньше было показано, что для увеличения полосы пропускания с помощью обратной связи следует уменьшить коэффициент усиления, то теперь выведенное соотношение дает возможность узнать, какой частью коэффициента усиления необходимо пожертвовать для получения желаемой полосы пропускания.
Схема замещения операционного усилителя позволяет учитывать влияние неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно представить усилитель полной схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена на рис. 15.9.
Рис. 15.9.. Схема замещения операционного усилителя для малых сигналов
Параметры операционных усилителей
Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.
1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 10 3- 10 7 ) и определяется при холостом ходе на выходе. К = Uвых/Uвх.д.
2. Напряжение смещения нуля Ucm показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвых = 0 (составляет 0,5-0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база входных транзисторов.
При подключению к входам ОУ источников сигнала с разными внутренними сопротивлениями, создаются различные падения напряжений на этих сопротивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал, изменяет входное напряжение. Для его уменьшения, сопротивления источников сигнала должны быть одинаковы.
4. Разность входных токов DIвх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ, при заданном значении выходного напряжения, составляет 0,1-200 нА.
Дифференциальное входное сопротивление – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм – сотни МОм. Такое большое Rbx получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление – это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше Rвх диф.
6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Косл сф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему тоже значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала и составляет 60-120 дБ:
С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем лучше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.
7. Выходное сопротивление Rвых определяется отношением приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала и составляет единицы–сотни Ом.
8. Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимального изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температуры и оценивается в мкВ/град .
Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.
9. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питаний на 1 В и оценивается в мкВ/В.
10. Максимальное выходное напряжение Uвых макс определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающим стабильную работу ОУ и искажения не превышающие заданного значения. Uвых макс на 1-5 В ниже напряжения питания.
11. Максимальный выходной ток Iвых макс ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.
12. Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.
13. Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f1)| = l. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.
14. Частота среза fc ОУ – частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.
15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vмакс определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной максимальному значению входного напряжения и лежит в пределах 0,1-100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. Vмакс характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.
16. Время установления выходного напряжения tycт (время затухания переходного процесса) – это время необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.
Время установления – это время в течение которого после скачка входного напряжения, выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности dUвых. За время установления выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.
17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэффициент усиления ОУ. Спектральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шума деленного на полосу частот, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра . В ТУ на ОУ иногда задают коэффициент шума (дБ), определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением Rг, к мощности шума активного сопротивления
где Uш – приведенное напряжение шумов при Rг=0;
4kTRг – спектральная плотность теплового шума резистора.
Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению. Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других.
Так в измерительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напряжением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Такие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных устройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.
Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.
Эксплуатация ОУ в качестве усилителя слабых сигналов подразумевает возможность и необходимость направленно менять его параметры, подстраивая тем самым свойства технического устройства под нужды потребителя. В этой связи весьма актуальным вопросом эксплуатации ОУ была и остается проблема регулировки его коэффициента передачи в определенных пределах и по заданному закону.
Рис. 6.1. Схема усилителя на ОУ с плавно изменяемым коэффициентом передачи
Варианты способов регулировки коэффициента передачи и их сопоставительные характеристики в графическом представлении [6.1] приведены ниже.
Коэффициент передачи (усиления) усилителя на ОУ, рис. 6.1 [6.2], можно определить как
, рис. 6.2.
Рис. 6.2. Характеристики усилителя, рис. 6.1, при регулировке потенциометра R1,x — доля потенциометра R 7
Рис. 6.3. Схема усилителя на ОУ с квадратично изменяемым коэффициентом передачи
Коэффициент передачи (усиления) усилителя на ОУ, рис. 6.3, выполненного в виде двух последова-
тельно включенных каскадов (рис. 6.1) со сдвоенным потенциометром
R1, можно определить как:
Если включить последовательно несколько подобных каскадов, можно получить усилитель, выходное напряжение которого регулируется по закону
Рис. 6.4. Схема усилителя на ОУ со степенным изменением коэффициента передачи
где п — количество каскадов, рис. 6.4.
Регулировочные характеристики синхронно регулируемых 2-х, 3-х, 5-и и 10-и каскадных усилителей показаны на рис. 6.5.
Схема регулировки коэффициента передачи усилителя на ОУ, предложенная Вудвардом [6.3], показана на рис. 6.6. Коэффициент передачи
усилителя определяется как К =
Рис. 6.5. Регулировочные характеристики многокаскадных (п-2; п=3; п=5; п= 70) синхронно регулируемых усилителей, рис. 6.4
Коэффициент усиления усилителя на ОУ, рис. 6.7, можно определить как:
Рис. 6.6. Схема усилителя на ОУ с регулируемым коэффициентом усиления
Рис. 6.7. Вариант схемы включения регулятора усиления
Рис. 6.8. Характеристики усилителя, рис. 6.7, при регулировке потенциометра R3, х — доля потенциометра R3. R2/R1:
1 — 10;2 — 5;3 — 2;4 — 1
Частным случаем представленной на рис. 6.9 схемы является схема включения операционного усилителя с резистивным делителем в цепи обратной связи, рис. 6.7. Коэффициент передачи по модулю такого усилителя определяется как:
Рис. 6.9. Схема включения операционного усилителя с резистивным делителем в цепи обратной связи
Рис. 6.10. Характеристики усилителя, рис. 6.9, при использовании в качестве R3 потенциометра, х — доля потенциометра R3, где R3:
1 — 10; 2 — 20; 3 — 33,3; 4 —50; 5—100 кОм
При варьировании номиналов резисторов усилителя, в частности, при замене резистора R3 на потенциометр, можно получить серию характеристических кривых, рис. 6.10 (R1=R3; R2=R4=100 кОм). При х->Ю или при
R3->0 формула для определения К не применима, поскольку формально коэффициент передачи стремится к бесконечности;
Рис. 6.7 7. Схема усилителя Грэма с изменяемым коэффициентом усиления
В усилителе Грэма, рис. 6.11 [6.4,
6.5], коэффициент усиления К при регулировке потенциометра R1 изменяется в пределах от -п до п:
Рис. 6.Ί2. Регулировочные характеристики усилителя Грэма, х — доля потенциометра R7
где х — часть (доля) сопротивления потенциометра R1 между движком и общей шиной.
При условиии
Так, например, при использовании в качестве DA1 усилителя LM741,
R1 = R2=10 кОму R3 = 11,11 кОму R4=100 кОМу т. е. при п-10, коэффициент передачи устройства при крайних положениях движка потенциометра R1 составляет 20 дБ (10 раз), а в его среднем положении падает до -67 дБ (зависит от точности подбора элементов схемы и в идеале стремится к нулю), рис. 6.12.
Поскольку регулировочная кривая усилителя почти симметрична, потенциометр R1 можно разделить на два равных по номиналу сопротивления, одно из которых — переменное.
Следует учитывать уникальную особенность устройства: в верхнем по схеме положении движка потенциометра R1 усилитель не инвертирует фазу входного сигнала, а в нижнем — инвертирует.
Это свойство усилителя Грэма можно использовать для балансировки противофазных сигналов в измерительной и преобразовательной технике.
Коэффициент усиления неинвертирующих усилителей (рис. 6.13, 6.14) определяется как К = 1+R2/R1. Это выражение справедливо при условии, что сопротивление источника сигнала стремится к нулю, входное сопротивление операционного усилителя и его коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи (т. е. предельный) — к бесконечности.
Соответствующее выражение для инвертирующих усилителей, отличающихся только включением входов операционного усилителя, запишется так: К = -R2/R1. Знак минус означает сдвиг выходного сигнала на 180 град.
Рис. 6.16. Вариант выполнения усилителя со ступенчато изменяемым коэффициентом передачи
Рис. 6.15. Вариант схемы включения операционного усилителя с дискретно изменяемым коэффициентом передачи
Рис. 6.14. Вариант схемы неинвертирующего усилителя с плавно регулируемым коэффициентом усиления
Рис. 6,13, Схема неинвертирующего усилителя с плавно регулируемым коэффициентом усиления
Коэффициент передачи усилителя на основе ОУ (рис. 6.15 и 6.16) можно ступенчато менять, используя многопозиционный переключатель. Обычно этот коэффициент меняют в соотношении 1:10:100…, хотя могут быть использованы и иные соотношения, например, 1:2:4:8…
В схеме инвертирующего усилителя Бича с варьируемым коэффициентом усиления, рис. 6.17 [6.6], коэффициент передачи устройства регулируют, изменяя соотношение между сигналами, поступающими на входы операционного усилителя DA1.
Для реализации усилителя необходимо, чтобы R1=R3, R2=R4, тогда /у =-R2/Rl, точнее, KJ,C=-(R2-R4)/(R1+R4), RBX =(Rl+R3)/2.
Практически при R1 = R3 = 2 кОм, R2=R4=200 кОм коэффициент передачи усилителя на микросхеме 741 изменяется в пределах от 40 дБ (R4=0 кОм) до -40 дБ (R4=198 кОм)… -92 дБ (R4=200 кОм), рис. 6.18. При R4=100 кОм коэффициент передачи устройства близок к 1.
Регулировочный элемент в схеме усилителя Бича можно включить по несколько видоизмененному варианту, рис. 6.19 [6.7]. В приведенной схеме первый каскад усиления, выполненный на микросхеме DA1, обеспечивает коэффициент усиления (R2/R1+1)=20. Номиналы резисторов второго каскад, который, собственно, и обеспечивает регулирование коэффициента передачи в широком диапазоне от положительных до отрицательных значений, должны отвечать следующим соотношениям: R3=R4=R6=R5/2=R. Тогда коэффициент передачи каскада можно определить
как (1—R5/R)/2, а всего усиди- теля — 10(1—R5/R). График зависимости коэффициента передачи усилителя при изменении угла поворота движка потенциометра R5 приведен на рис. 6.20.
Рис. 6.17. Схема усилителя Бича с регулируемым коэффициентом передачи
Рис. 6.18. Регулировочные характеристики усилителя Бича, х — доля потенциометра R4
Преимуществом такого способа регулирования является строго линейная зависимость изменения коэффициента передачи от величины сопротивления регулировочного потенциометра.
Схему усилителя Бича (рис. 6.21) можно использовать и в качестве аналогового ключа. Коэффициент передачи ключа во включенном его
состоянии равен 1 (при условии R1=R2=R3=R4), размах входного сигнала не должен превышать 1,2 В.
Когда на вход Uynp поступает уровень логической единицы (2,4—4 В), транзистор VT1 насыщается и подключает резистор R4 к общей шине, в результате сигнал ослабляется на 70—90 дБ. Так, например, при R1=R2=R3=R4=100 кОм коэффициент ослабления входного сигнала составляет 70 дБ.
При поступлении на вход Uynp уровня логического нуля транзистор VT1 запирается, сигнал проходит на выход усилителя без потерь.
Коэффициент передачи усилителя Риттера, рис. 6.22 [6.8,6.9], можно определить из выражения:
где х — доля сопротивления R3, подключенная к неинвертирующего входа ОУ.
На рис. 6.23 приведена зависимость коэффициента передачи усилителя Риттера при регулировке потенциометра R3: кривая 1 — при R1=R2=1 кОм, R3=10 кОм, R4=100 кОм; кривая 2 — при R1=R2=R3=R4=1 кОм.
Упрощенный вариант схемы Риттера, представленный на рис. 6.22, 6.24, отличается отсутствием резистора R1 (рис. 6.22, Rl->>oo). Регулировочные характеристики усилителя приведены на рис. 6.25.
Хорошо известно, что коэффициент передачи операционного усилителя в типовом включении определяется как 1+R2/R3, т. е. ни при каких обстоятельствах не может быть ниже единицы. Сделать управляемый
аттенюатор с регулируемым коэффициентом передачи от 0 и выше удалось Ф. Енсену [6.10], который использовал сдвоенный потенциометр в выходных цепях усилителя, рис. 6.26, 6.27. Главным действующим элементом, регулирующий общий коэффициент передачи устройства, является сдвоенный потенциометр R3, R4, рис. 6.27. Потенциометр включен таким образом, чтобы при увеличении значения сопротивления потенциометра R3 доля напряжения, снимаемого с движка потенциометра R4, возрастала.
Рис. 6.25. Регулировочные характеристики упрощенного варианта усилителя Риттера
Рис. 6.24. Упрощенный вариант усилителя Риттера с регулируемым коэффициентом передачи
Отмечу, что подобное устройство можно было бы реализовать гораздо проще, применив в качестве регулятора всего один потенциометр.
Усилитель [6.8], представленный на рис. 6.28, позволяет при использовании одного потенциометра регулировать уровень выходного сигнала’ в пределах от -к до /с, дБ.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Кус можно определить как, Напряжение в точке А равно
Напряжение на выходе устройстваСледовательно, итого
вый коэффициент передачи устройства, дБ, при условии R1=R4=R можно найти из выражения:На рис. 6.29 показана зави
Ещеодин усилитель Вудварда [6.11], представленный на рис. 6.30, выполнен на двух операционных усилителях, его коэффициент передачи не зависит от номинала регулирующего элемента — потенциометра R2,
и определяется как, χ ψ 0. Регулировочные характеристики
усилителя приведены на рис. 6.31.
Синхронное и идеально согласованное изменение коэффициента передачи двухканального усилителя при использовании единственного органа управления — потенциометра возможно при построении усилителя по схеме, приведенной на рис. 6.32 [6.12].
Рис. 6.30. Схема усилителя Вудварда на двух ОУ
Рис. 6.37. Регулировочные характеристики усилителя, рис. 6.30, х — доля потенциометра R2, R1=R3
Рис. 6.32. Схема двухканального регулятора уровня сигнала с использованием одного потенциометра
Усилитель состоит из двух электрически не связанных узлов, состояние которых, однако, определяется положением движка потенциометра R5. Резистивные элементы схемы определены из условия: R1=R3=R10=R11=R; R2=R4=R12=Rg.
Коэффициент передачи верхнего по схеме узла определяется выражением, где к — доля потенциометра R5 (0—1,0).
Для нижнего по схеме узла напряжение на выходе ОУ DA2 определяется какРезистивный делитель R—RG цепи
отрицательной обратной связи ОУ DA3 (его коэффициент передачи на инвертирующий вход ОУ DA3 равен), уменьшает это напряжение
на инвертирующем входе ОУ DA3 доПоскольку на неинвер
тирующем входе этой микросхемы напряжение равно UBx2, то, с учетом коэффициента передачи ОУ DA3, напряжение на выходе канала равно
Следовательно, при изменении положения движка управляющего потенциометра R5 коэффициент передачи обоих каналов усилителя будет изменяться в равной степени.
Для обеспечения нулевого коэффициента передачи нижнего канала усилителя при крайнем верхним положении движка потенциометра R5 производят регулировку потенциометра R7.
Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.
На рисунке 8.1 изображена схема операционного усилителя, охваченного обратной связью.
Рисунок 8.1. Схема формирования отрицательной обратной связи
Обратная связь образуется цепью ZOC , которая обеспечивает возврат части энергии сигнала с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Поэтому ОС является отрицательной. Так как входным сигналом цепи ОС является обратной связью по напряжению. В связи с этим, выходное сопротивление образованного усилителя будет значительно меньше, чем выходное сопротивление использованного операционного усилителя:
Z вых ООС = Z выхОУ / (1 + g K ), (8.1)
где g – коэффициент передачи цепи ОС ;
К – коэффициент усиления ОП .
Таким образом, сравнительно малое значение выходного сопротивления ОУ еще больше уменьшается.
Относительно сигнала (U вх1 ), подаваемого на инвертирующий вход, выход цепи ООС оказывается подключенным параллельно, а относительно сигнала (U вх2 ), подаваемого на неинвертирующий вход, – последовательно. Поэтому могут разниться входные сопротивления для этих двух источников сигнала.
Получим еще несколько выражений, которые будут использованы в дальнейшем.
Так как ОП является дифференциальным усилителем, то выходное напряжение
. (8.2)
Откуда .
Учитывая, что К велико (в идеальном ОУ К Þ¥), а величина выходного напряжения ограничена (по крайней мере, значениями напряжения источника питания, получаем:
. (8.3)
Для узла в точке А можно записать:
Если R вх >> R ОС (в идеальном ОУ R вх Þ¥), то
. (8.4)
В дальнейшем кроме этих выражений, полученных на основе показателей идеальности ОУ, при анализе отдельных схем будем пренебрегать напряжением смещения нуля (U см ), входными токами (I вх , D I вх ) и их дрейфами.
2. Линейные схемы
2.1. Инвертирующий усилитель
Рисунок 8.2. Инвертирующий усилитель
В соответствии с выражением (8.3)
UA = UB = 0 (8.5)
Используя полученное значение, находим для токов, входящих в (8.4)
; (8.6)
. (8.7)
Приравнивая их и учитывая, что К = U вых / U вх,, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя
, (8.8)
где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 180 0 (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной. Подобное явление уже нами встречалось при рассмотрении усилителей ОЭ , ОБ и ОИ .
Из (8.8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.
R вх и ус = R 1 . (8.9)
Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рисунке приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ .
Рисунок 8.3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя
Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.
Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:
. (8.10)
2.2. Неинвертирующий усилитель
Схема неинвертирующего усилителя приведена на рисунке 8.4.
Рисунок 8.4. Неинвертирующий усилитель
,
где Кдел – коэффициент деления делителя R2 , R3 .
Инвертирующий вход ОУ заземлен через резистор R1 . Напряжение на инвертирующем входе
.
Приравнивая эти напряжения (на основании (8.3)), получаем
, (8.11)
В неинвертирующем усилителе выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Из (8.11) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя может быть меньше 1 только при использовании делителя с Кдел f н .
3. Нелинейные схемы
3.1. Вводные замечания
На основе ОУ можно легко строить усилители с различными нелинейными амплитудными характеристиками. Обычно такие усилители предназначены для коррекции нелинейности характеристик различных датчиков, используемых в системах управления, контроля и измерения. Например, если передаточная характеристика какого-либо датчика имеет вид кривой 1 на рисунке 8.11, то в случае идеального усилителя по такому же закону будет изменяться и выходной сигнал, что часто недопустимо. Поэтому целесообразно в усилитель ввести звено, имеющее амплитудную (передаточную) характеристику, обратную характеристике применяемого датчика (кривая 2 , рисунка). Понятно, что в таком случае выходной сигнал будет иметь линейную зависимость от входной измеряемой характеристики (прямая 3).
Рисунок 8.11. Передаточные характеристики датчика (а) и корректирующего усилителя(б)
В ряде случаев необходимо решить обратную задачу – получить передаточную характеристику, изменяющуюся по какому-то заданному закону.
Эти задачи могут быть решены в результате использования нелинейных схем на основе ОУ .
3.2. Логарифмический усилитель
Логарифмический усилитель имеет нелинейную амплитудную характеристику (рисунок 8.12), соответствующую логарифмической зависимости выходного напряжения от входного U вых = log ( U вх ) . Такой усилитель иногда применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как он усиливает сигналы малой амплитуды с большим коэффициентом усиления, чем сигналы большой амплитуды.
Рисунок 8.11. Амплитудная характеристика логарифмического усилителя
Логарифмический усилитель обычно выполняется на основе инвертирующего усилителя на ОУ, в котором в качестве элемента обратной связи применяется нелинейный элемент, имеющий логарифмическую вольтамперную характеристику – диод (рисунок 8.12,а).
Рисунок 8.12. Логарифмический (а) и антилогарифмический (б) усилители на основе ОУ
Напоминаем, что зависимость тока диода Iд от падения напряжения на нем Uд описывается выражением
,
где I0 – тепловой ток диода; j Т – температурный потенциал (примерно равный 0,025 В).
На основании (8.3) и (8.4) имеем
Iд = Iвх = Uвх / R и Uвых = – Uд ,
Откуда . (8.26)
3.3. Антилогарифмический усилитель
Антилогарифмический (экспоненциальный) усилитель имеет обратную логарифмическую передаточную характеристику. Для получения таких схем достаточно в приведенной схеме логарифмического усилителя поменять местами диод и резистор (рисунок 8.12,б). Зависимость выходного напряжения от входного получаем аналогично предыдущему. Из (8.3) и (8.4) имеем:
Iвх = Iд = IОС ; Uд = Uвх ; Uвых = – IОС * R = – Iд * R ,
Откуда – Uд . (8.27)
3.4. Функциональные усилители
Функциональный усилитель представляет собой универсальную схему, с помощью которой можно реализовать любую зависимость выходного напряжения от входного. Идея функционального усилителя заключается в представлении нужной нелинейной зависимости выходного и входного напряжений в виде кусочно-линейной аппроксимации и построении такой схемы усилителя, коэффициент усиления которой зависит от входного или выходного напряжения. На рисунке 8.13 представлена требуемая нелинейная характеристика и ее аппроксимация отрезками прямых линий.
Рисунок 8.13. Кусочно-линейная аппроксимация нелинейной амплитудной характеристики усилителя
Из рисунка видно, что на участке от 0 до U вх1 усилитель должен иметь коэффициент усиления К1 на следующем участке, от U вх1 до U вх2 – коэффициент усиления К2 и т.д. Величины этих коэффициентов усиления К1 , К2 и т.д. легко определяются из требуемого вида аппроксимирующей характеристики:
. (8.28)
За основу функционального усилителя обычно берут схему инвертирующего усилителя на основе ОУ (рисунок 8.14).
Рисунок 8.14. Функциональный усилитель
На первом участке, в пределах 0 до U вх1 , коэффициент усиления такого усилителя (без учета знака) определяется отношение резистора R 1 и R ос :
Если при увеличении входного напряжения свыше U вх1 , коэффициент усиления К2 должен увеличиться (как показано на рисунке 8.13), то необходимо уменьшить сопротивление резистора R 1 так, чтобы коэффициент усиления стал равен К2 (если же коэффициент усиления К2 уменьшается, то необходимо изменять сопротивление резистора Rос , в этом случае последующие изменения в схеме и выражения для расчета параметров легко выводятся аналогичным образом). Новое значение сопротивления входного резистора инвертирующего усилителя определяется по формуле
, (8.29)
Для уменьшения сопротивления резистора R1 необходимо параллельно ему включить дополнительный резистор, причем он должен включаться только тогда, когда входное напряжение превысит величину U вх2 . Для этого в схему инвертирующего усилителя включается дополнительная цепочка из резисторов R 2 , R 3 и диода VD . В соответствии с принципом "мнимой земли", анод диода, подсоединенный к инвертирующему входу ОУ, имеет потенциал равный нулю. Диод откроется тогда, когда напряжение на катоде U А уменьшится ниже потенциала анода, т.е. ниже 0. Поэтому напряжение источника смещения должно быть противоположного знака по сравнению со знаком анализируемого входного напряжения.
До момента отпирания диода напряжение в точке А можно определить из выражения:
. (8.30)
После отпирания эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторовR 1 и R 2 должно быть равно значению, рассчитанному по (8.29), откуда
. (8.31)
Определив сопротивление R2 и, задавшись величиной напряжения смещения (при этом, целесообразно в качестве этого источника смещения использовать напряжение одного из источников питания ОУ ), из (8.30) определяют сопротивление резистора R3 .
Если характеристика аппроксимирована еще одной прямой, то аналогично включается и рассчитывается дополнительная цепочка из двух резисторов и диода.
Чтобы увеличить амплитуду очень слабых входных сигналов, применяют микросхемы интегральных ОУ. Коэффициент усиления и питающие напряжения ОУ выбираются такими, чтобы на вход М К поступали сигналы в диапазоне цифровых (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ) или аналоговых (+0.05. -0.05 В) уровней.
На Рис. 3.19, а. ц показаны схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ, а на Рис. 3.20, а. ж — усилителей сигналов, состоящих из нескольких ОУ.
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (начало):
а) высокое входное сопротивление за счёт повторителя напряжения на микросхеме DA1
б) прямое соединение ОУ DA1 с МК применяется, если они питаются от единого источника положительного напряжения +3. +5 В при отсутствии отрицательного питания ОУ;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (продолжение):
в) защитный диод VD1 может отсутствовать, если ток, протекающий через резистор R4 при отрицательном напряжении на выходе ОУ, меньше 1 мА. Это ток через внутренний диод М К;
г) делитель на резисторах R2, R3 снижает максимальное напряжение, подаваемое на линию МК с выхода ОУ DA /, с +12 до +5 В (резисторное согласование уровней);
е) ОУ на микросхеме DA 1 не имеет обратных связей и выполняет функцию компаратора. Порог регулируется резистором R3, элементы защиты — R2, VDI, VD2, С1;
ж) резистор R1 — это нагрузка выхода интегрального компаратора DA /, имеющего открытый коллектор. Возможные замены — LM392N, LM311;
з) ОУ DA 1 выполняет функцию компаратора, сравнивающего входной сигнал с напряжением +2.5 В (делитель /?/, R2). Конденсатор С1 устраняет самовозбуждение на высоких частотах;
и) резистор RI обязателен при питании ОУ DA 1 от напряжений больше, чем +5 В, и меньше, чем-5 В. Этот резистор ограничивает ток, протекающий через внутренние защитные диоды МК при большом положительном и при большом отрицательном напряжении на выходе ОУ;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (продолжение):
к) преобразователь уровней: на входе -5. +5 В, на выходе 0. +5 В. Резисторами R3, R4 подбирается точная центровка и коэффициент ослабления сигнала, приходящего к МК;
л) резистором /Урегулируется постоянная составляющая на входе МК;
н) резистор R2 защищает М К от отрицательного напряжения -5 В, которое может появиться на выходе DA /. Если движок резистора R1 перевести в крайнее правое положение, то DA 1 из интегратора превращается в повторитель напряжения;
о) входной сигнал проходит через активный ФНЧ с частотой среза 22 кГц. Если амплитуда на входе АЦП МК больше, чем 0. +5 В, то надо последовательно поставить резистор 1. ЮкОм;
Рис. 3.19.Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ <продолжение):
п) входной усилитель выполнен на высокоскоростном ОУ DAI v имеет защиту от всплесков напряжения с помощью диодов Шоттки VDI, VD2. Диапазон частот до 10 МГц; р) регулировка чувствительности (усиления) переменным резистором R2 с) диод VDI не пропускает отрицательную полуволну напряжения. Резистор R2ограничивает ток через внутренний диод МК при амплитуде на выходе DAI больше, чем +5 В;
т) резистор обратной связи RI, в отличие от аналогичных схем, соединяется с защитным резистором R2 на входе МК, а не на выходе ОУ DA1;
у) трёхполосный регулятор тембра с коррекцией АЧХ на низких (R4), средних (R5) и верхних (R6) частотах. Напряжение +2.5 В может подаваться от ИОН МК;
Рис. 3.19. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ (окончание):
ф) усилитель DAI является компаратором, порог срабатывания которого определяется резистором R4. На выводе 3 микросхемы DAI суммируются отрицательное (резистор RI) и положительное (резисторы R4, R6) напряжения. Конденсатор С1 сглаживает пульсации сигнала ШИМ, генерируемого с выхода МК;
х) активный ФНЧ на микросхеме DA I дополняется пассивным ФНЧ на элементах R3, СЗ. Делитель R3, согласует уровни сигналов, поскольку у DA1 и М К разное питание;
ц) защита входа М К стабилитроном VDI и резисторами R2, R3, что необходимо при высоком двухполярном напряжении питания ОУ DAI.
Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)
Читайте также: