Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое операционные усилители, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое операционные усилители, пиковый детектор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.
Даже после появления цифровых вычислительных машин вычисления и обработка сигналов зачастую производились средствами аналоговой электроники. Основу этих устройств составляли
операционные усилители .
Операционные усилители как класс появились в качестве унифицированных элементов аналоговых вычислительных машин (АВМ) после Второй Мировой войны. На них собирались звенья, производящие математические операции: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.п. Слово «операционный» в названии появилось в силу этого факта. В качестве входного сигнала использовалось напряжение.
Вычисления могли быть достаточно сложными и требовать большого количества звеньев, что выдвигало достаточно жесткие требования к унификации и стабильности характеристик операционных усилителей. Выполнение требований стабильности характеристик достигалось введением в схемы звеньев отрицательной обратной связи (ООС). Для унифицированных операционных усилителей применялась внешняя обратная связь. Характеристики такого звена определялись исключительно параметрами цепи обратной связи.
Массовое применение операционных усилителей началось со второй половины 60-х годов прошлого века, когда был налажен серийный выпуск относительно недорогих интегральных ОУ. Использование микросхем операционных усилителей стало тогда экономически целесообразным сначала в промышленной электронике, а затем и в бытовой технике.
В качестве КДПВ использована фотография советского аналога операционного усилителя LM101, одного из первых массовых интегральных ОУ.
Операционный усилитель (ОУ) - это электронный усилитель, который имеет два входа и один выход. Он используется для усиления электрических сигналов, а также для создания различных электронных схем.
Основными характеристиками ОУ являются усиление, входное сопротивление, выходное сопротивление, полоса пропускания, коэффициент нелинейности и другие. В зависимости от задачи, которую нужно решить, можно выбрать ОУ с определенными характеристиками.
ОУ широко используется в электронике для усиления сигналов, суммирования, фильтрации, демодуляции и других приложений. Он также может быть использован для создания прецизионных источников опорного напряжения, интеграторов и дифференциаторов, а также для решения задач автоматического управления.
Обычно операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, и один выход. ОУ усиливает разность напряжений на входах. Коэффициент передачи операционного усилителя с отключенной ООС – порядка 104…106 (80…120 dB) в цепях постоянного тока.
Принцип действия ОУ наиболее наглядно раскрывается на модели «идеального операционного усилителя». Модель обладает следующими свойствами:
- Входы идеального ОУ не оказывают влияния на входные сигналы и имеют бесконечно большое сопротивление и бесконечно малую емкость.
- Выход идеального ОУ имеет нулевое сопротивление и может обеспечить на нагрузке любое напряжение и любой ток.
- Коэффициент передачи идеального ОУ стремится к бесконечности и не зависит от частоты входных сигналов.
- Время задержки распространения сигнала в идеальном ОУ равно нулю, сдвиг фаз отсутствует.
- Охваченный ООС идеальный ОУ стремится установить равное напряжение на входах.
Схема операционного усилителя без обратной связи представлена ниже:
Идеальный ОУ, включенный без обратной связи, работает следующим образом: напряжение на выходе равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:
(1) |
Выразим разность напряжений на входах идеального ОУ через напряжение на выходе и коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:
(2) | ||
где: | Uвых – напряжение на выходе ОУ; | |
Uвх+ – напряжение на неинвертирующем входе ОУ; | ||
Uвх- – напряжение на инвертирующем входе ОУ; | ||
Gо – коэффициент передачи ОУ с разомкнутым контуром обратной связи. |
Поскольку, согласно свойству 3 модели идеального операционного усилителя коэффициент передачи Gо стремится к бесконечности, получаем подтверждение свойства 5 модели и для идеального ОУ, неохваченного ООС:
(3) |
Инвертирующий усилитель является пропорциональным (усилительным) звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.
Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2:
(4) |
из которого следует:
(5) | ||
где: | Uвых – напряжение на выходе инвертирующего усилителя; | |
Uвх – напряжение на входе инвертирующего усилителя; | ||
R1, R2 – сопротивления резисторов в цепи обратной связи инвертирующего усилителя. |
(6) |
Из формулы (6) видно, что коэффициент передачи идеального инвертирующего усилителя может быть в пределах от 0 до — ∞.
Входной импеданс идеального инвертирующего усилителя равен сопротивлению резистора R1, поскольку, согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ входы не потребляют ток, и на инвертирующем входе установлен потенциал 0 В согласно свойству 5.
При равенстве сопротивлений резисторов в цепи обратной связи получаем инвертирующий повторитель.
При соотношении сопротивлений резисторов R1 > R2 схема работает как инвертирующий аттенюатор, т.е. начинает «ослаблять» входной сигнал.
Неинвертирующий усилитель, как и инвертирующий усилитель, является пропорциональным звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.
Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2. Сигнал с делителя напряжения подается на инвертирующий вход:
Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ Uвх- равно напряжению на неинвертирующем входе Uвх+. При этом Uвх+ равно входному напряжению Uвх.
Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, входы ОУ ток не потребляют, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению Uвх, а падение напряжения на последовательно включенных резисторах делителя напряжения R1 и R2 равно напряжению Uвых.
Получаем следующее соотношение:
(7) | ||
где: | Uвых – напряжение на выходе неинвертирующего усилителя; | |
Uвх – напряжение на входе неинвертирующего усилителя; | ||
R1, R2 – сопротивления резисторов в цепи обратной связи неинвертирующего усилителя. |
Согласно формуле (7), коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:
(8) |
Схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет согласовать, например, высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой.
Обе схемы усилителей, инвертирующего и неинвертирующего, являются пропорциональными звеньями, осуществляющими операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.
Принципиальные различия между схемами заключаются в том, что:
Исходя из вышесказанного, инвертирующие усилители целесообразно применять в схемах, требующих согласования с низкоомными источниками сигнала, а неинвертирующие – для согласования с высоомными источниками сигнала, а также на входах измерительных устройств для минимизации влияния на измеряемый сигнал.
Увеличение входного сопротивления инвертирующего усилителя резистором R1 требует пропорционального коэффициенту передачи k увеличения сопротивления резистора R2. Предотвратить чрезмерное увеличение сопротивления резистора R2 можно применением в цепи ООС усилителя Т-моста:
Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с Т-мостом:
(9) |
Входное сопротивление инвертирующего усилителя с Т-мостом приблизительно равно сопротивлению резистора R1.
При k = 10 и сопротивлении R1 = 500 кОм в схеме инвертирующего усилителя с делителем напряжения в цепи обратной связи сопротивление резистора R2 должно быть 5 МОм.
В случае инвертирующего усилителя с Т-мостом, при k = 10, сопротивлении R1 = 499 кОм и сопротивлении R4 = 100 Ом, сопротивление резисторов R2 и R3 будет равно 22.6 кОм. Расчет цепи обратной связи в этом случае сложней, но применение Т-моста в цепи обратной связи при больших значениях сопротивления резистора R1 обеспечивает более стабильную работу усилителя.
Чтобы разобраться с характеристиками ОУ в «статике», обратимся к эквивалентной схеме операционного усилителя для низких частот, изображенной на рисунке 1.1 на стр.6 :
Основным элементом ОУ является безынерционное пропорциональное звено с коэффициентом передачи K. Напряжение с выхода этого звена через резистор Rвых подается на выход ОУ.
В datasheet обычно указываются следующие характеристики ОУ:
— Коэффициент усиления: характеристика ОУ, численно равная коэффициенту передачи К на постоянном токе или частотах ниже 10 Гц.
— Выходное сопротивление: характеристика ОУ, численно равная Rвых эквивалентной схемы с разомкнутой ООС.
На входы ОУ подаются напряжения Uвх+ и Uвх-. Входы имеют конечное сопротивление и могут потреблять ток, причем для каждого входа разный.
Сформулируем свойство 1 для реального операционного усилителя:
1. Входы реального ОУ имеют конечный импеданс, могут потреблять ток и влиять, таким образом, на входной сигнал.
Если неидеальность ОУ «по входам» во многом определяется ограничениями технологии, то неидеальность «по выходу» — еще и ограничениями, накладываемыми источником питания.
Свойство 2 для реального операционного с учетом ограничений по питанию:
2. Выход реального ОУ имеет ненулевое сопротивление и может обеспечить ограниченный диапазон напряжений при ограниченном токе в нагрузке.
Основное отличие реального ОУ от идеального заключается в том, что в «динамике» реальный ОУ ведет себя как фильтр низких частот (ФНЧ).
Отсюда свойства 3 и 4 реального операционного усилителя можно сформулировать так:
3. Коэффициент передачи реального ОУ с разомкнутой ООС может составлять 104 – 106 (80 — 120 дБ) на низких частотах и уменьшается с ростом частоты.
4. Время задержки распространения сигнала в реальном ОУ не равно нулю, по напряжению фаза выходного сигнала отстает от фазы входного сигнала.
Рассмотрим две важнейшие динамические характеристики реального ОУ:
— Частота единичного усиления: частота (Гц), при которой коэффициент усиления ОУ равен единице.
— Максимальная скорость нарастания выходного напряжения: характеристика (В/мкс), отражающая скорость реакции ОУ на прямоугольный импульс на входе.
Отличие реального ОУ от идеального в «динамике» разберем по методике, приведенной в разделе 7.1.4 на стр.86-88 .
Современные технологии позволяют выпускать недорогие rail-to-rail ОУ универсального применения, не требующие внешней «обвязки» в виде цепей частотной коррекции и коррекции нуля. Допустимые диапазоны входных сигналов (синфазного и дифференциального) и диапазон выходного сигнала таких ОУ обычно равны напряжению питания.
В настоящий момент времени разными производителями выпускается большое количество разнообразных ОУ с отличающимися параметрами, которые при выборе ОУ необходимо уточнять по datasheet производителя.
Сосредоточимся на ограничениях, справедливых для подавляющего количества существующих ОУ.
Реальный ОУ при отключении ООС переходит в режим насыщения за счет высокого коэффициента усиления и наличия токов смещения.
Как и в случае идеального операционного усилителя характеристики схем на реальных ОУ определяются параметрами цепи ООС. Цепи ООС должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при любом значении входных напряжений из рабочего диапазона выходной каскад ОУ не входил в режим насыщения.
Для снижения влияния сопротивления входов и выхода ОУ на параметры цепи ООС подбор номиналов резисторов R1 и R2 нужно осуществлять так, чтобы:
— сопротивление R1 было больше, чем выходное сопротивление ОУ Rвых;
— сопротивление R2 было меньше чем входное сопротивление Rвх.
Для компенсации тока смещения неинвертирующий вход ОУ подключается через резистор R3 с сопротивлением, равным сопротивлению параллельно включенных R1 и R2. Это необходимо для ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах и необязательно для ОУ с входным каскадом на полевых.
Схема инвертирующего усилителя с компенсацией тока смещения:
Схема неинвертирующего усилителя с компенсацией тока смещения:
Сопротивления резисторов R1, R2 для ОУ со входами на биполярных транзисторах обычно выбираются в пределах от 2 до 100 кОм так, чтобы сопротивление резистора R3 лежало в диапазоне от 2 до 10 кОм. При выборе сопротивления R2 в единицах МОм нужно быть готовым к тому, что ОУ с такими цепями ООС будет работать нестабильно.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на реальном ОУ приблизительно равно сопротивлению резистора R1.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на реальном ОУ приблизительно равно входному сопротивлению синфазному сигналу Rсф операционного усилителя.
Также при расчете ООС необходимо учитывать частотный диапазон. На рисунке ниже приведен пример зависимости диапазона рабочих частот от коэффициента передачи звена на ОУ:
В данной публикации цикла мы научимся с помощью ОУ производить операции сложения и вычитания. Кроме того, мы разберем работу интегрирующих и дифференцирующих звеньев, а также схемы выборки-хранения.
На КДПВ к компании операционных усилителей К140УД708 и К574УД2Б добавлен прецизионный ОУ К140УД1408 – советский аналог LM308.
Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это третья из семи публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.
Операцию сложения на ОУ можно выполнить с помощью суммирующего усилителя. Простейший суммирующий усилитель можно получить добавлением резистора в схему инвертирующего усилителя на ОУ:
Далее аналогично методике расчета передаточной характеристики инвертирующего усилителя. На инвертирующем входе ОУ присутствует потенциал 0 В. Сумма входных токов через входные резисторы, вследствие наличия на входах напряжений Uвх1 и Uвх2, компенсируется током через резистор обратной связи R2. Падения напряжений на входных резисторах численно равны Uвх1 и Uвх2, падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых.
Передаточную характеристику простейшего суммирующего усилителя при равенстве сопротивлений входных резисторов можно представить в виде формулы:
(10) | ||
где: | Uвых – напряжение на выходе суммирующего |
продолжение следует...
Часть 1 Операционные усилители. Идеальный и реальный, сумматор, дифференциатор, интегратор, пиковый детектор
Часть 2 Разностный усилитель - Операционные усилители. Идеальный и реальный, сумматор, дифференциатор,
Часть 3 Релаксационные генераторы на ОУ - Операционные усилители. Идеальный и реальный,
Исследование, описанное в статье про операционные усилители, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое операционные усилители, пиковый детектор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Комментарии
Оставить комментарий
Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Термины: Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства