Операционные усилители, особенности, характеристики и основные схемы
Лекция №17-18.
Тема: Устройства аналоговой обработки сигналов.
Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ. Инвертор, повторитель и усилитель переменного сигнала на ОУ.
Итак - операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже - у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три - можно назвать их ТриО (или ООО - кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slewrate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ - как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
|
|
|
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить - подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax - частота синусоидального сигнала, Vmax - скорость нарастания сигнала, Uвых - максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост - приступим к главной задаче этого опуса - куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ - инвертирующий усилитель.
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
|
|
|
Почему "минус"? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала "зеркальна" фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема - инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса - соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается - допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Едем дальше - неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:
|
|
|
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет - фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току - установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.
Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.
Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались - дальше у нас по плану - фильтры .овторитель).
|
|
|
Операционные усилители, особенности, характеристики и основные схемы
Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.
Существуют ОУ и не имеющие одного из входов. Либо неинвертирующего (инверторы), либо инвертирующего (повторители, буферы).
ОУ может иметь и дополнительные выводы для балансировки и частотной коррекции. Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.
Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п.
Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (в старых моделях, например К140УД1 30...50 кОм).
Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.
Поэтому с большой степенью приближения можно считать, что ток во входы ОУ не течет.
Изображают ОУ на принципиальных схемах - инвертирующий вход - символом «минус», а неинвертирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Они указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы.
Рис. 1.17. Варианты условных графических изображений операционных усилителей
При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий - внизу. Выводы питания всегда располагают положительный вверху, а отрицательный - внизу).
ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).
Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (рис. 1.18, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (рис. 1.18, Б).
Рис. 1.18. Принцип формирования обратной связи (ОС)
Источник: http://cxem.net/beginner/beginner96-3.png
В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается.
Во втором случае - суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.
Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.
Глубина ООС показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления схемы под её влиянием по сравнению с её отсутствием (без ООС)
А ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и может вызывать ее самовозбуждение, что используется в генераторах, компараторах с гистерезисом и т.п.
В общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное.
Основные схемы включения операционного усилителя с использованием ООС показаны на нижеследующем рисунке.
Рис. 1.19. Основные схемы включения ОУ
Источник: http://cxem.net/beginner/beginner96-4.png
а) инвертирующее (рис.1.19, А) - сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);
б) неинвертирующее (рис.1.19, Б) - сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);
в) дифференциальное (рис.1.19, В) - сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.
Из вышеприведенных схем видно, что ООС (через Rоос) во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход, т.е.:
Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.
Разберем схемы, приведенные, при этомпримем, что напряжения питания двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»). Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается только в том, на какие из входов подается входное напряжение.
При инвертирующем включении (рис. 1.20) потенциал на не инвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу.
Рис. 1.20. Принцип работы ОУ в инвертирующем включении
Источник: http://cxem.net/beginner/beginner96-5.png
Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности, стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в противоположную сторону.
При равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности - инвертирующий повторитель. Эта схема нередко применяется, если нужно проинвертировать сигнал, полученный с помощью схем, принципиально являющихся инверторами.
Увеличивая номинал Rоос получим инвертирующий усилитель, выходное напряжение которого больше входного (иными словами, коэффициент усиления Ку) во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх.
Ку = - Uвых / Uвх = - Rоос / Rвх.
При неинвертирующем включении (рис. 1.21) левый вывод Rвх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал подан на неинвертирующий вход.
Рис.1.21. Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении
Источник: http://cxem.net/beginner/beginner96-7.png
Примем сопротивления Rоос и Rвх равными друг другу. Если на неинвертирующем входе потенциал составляет (например +1 В), то такой же потенциал должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке), а для этого на правом выводе резистора Rоос - выходе ОУ должно быть напряжение +2 В.
Токи Iвх и Iоос текут через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В.
Увеличивая номинал Rоос и сохраняя баланс токов Iвх = Iоос получаем более высокие значения коэффициента усиления:
Ку = Uвых/Uвх + 1 = (Rоос/Rвх) + 1
При дифференциальном включении (рис. 1.22) и одинаковых номиналах Rвх и Rоос на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения.
Рис. 1.22. Принцип работы ОУ в дифференциальном включении
Источник: http://cxem.net/beginner/beginner96-9.png
Поскольку потенциалы с обеих сторон резистора Rвх равны друг другу (напряжения на резисторе равно 0), ток через него не протекает. А значит, равен нулю и ток через резистор Rоос, т.е. эти два резистора никакой функции не выполняют.
По сути, мы фактически получили неинвертирующий повторитель. Соответственно, на выходе получим такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе.
Поменяем полярность входного сигнала на инвертирующем входе схемы (рис. 1.22, Б). Теперь между выводами Rвх приложено напряжение и через него течет ток Iвх чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать такой же по величине ток, а для этого на выходе ОУ должно быть напряжение большее чем на входе.
При таком упрощенном дифференциальном включении разница в коэффициентах усиления постоянно сдвигает выходной сигнал на величину потенциала на неинвертирующем входе.
Подадим входной сигнал на неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1вх = Iоос (рис. 1.22, В). На неинвертирующем а значит, и на инвертирующем входе ОУ будет равный потенциал, ток I , для обеспечения этого на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0.
При равных по величине и полярности сигналах на обеих входах схемы на выходе ОУ будет сохраняться нулевое напряжение, равное разнице входных сигналов.
Подав на инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности (рис.1.22, Г) имеем аналогичную картину - уровень выходного сигнала соответствует разнице между входными.
Конечно, при равенстве Rвх1 и Rоос (соответственно, Rвх2 и R1) усиления мы не получим. Для этого нужно увеличить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение:
При соблюдении соотношения Rоос / Rвх1 = R1/Rвх2.
для дифференциального включения характерно:
выходное напряжение не зависит от абсолютных значений входных сигналов, если они равны друг другу по величине и полярности;
на выход поступает только разностный (дифференциальный) сигнал.
Это позволяет усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково действующей на оба входа.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 303; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!