СЛ_ОУ_ЭСИИТ

Слайд-лекция на тему:
«Применение ОУ в измерительных
приборах и преобразователях»
по дисциплине:
«Электронные средства ИИТ»
Старший преподаватель
кафедры Приборостроения
Белик Михаил Николаевич
Специальность 5B071600 - Приборостроение
План лекции:
1. Принцип действия и структурная
схема;
2. Основные свойства и параметры
ОУ;
3.
Устройства
на
основе
операционных усилителей.
Общие сведения
Свойства и параметры обычного усилителя
полностью определены его схемой, свойства и
параметры
операционного
усилителя
определяются преимущественно параметрами
цепи обратной связи.
Операционные усилители выполняют по схеме
усилителей постоянного тока с нулевыми
значениями входного напряжения смещения нуля и
выходного напряжения.
Они
характеризуются
также
большим
коэффициентом усиления, высоким входным и
низким выходным сопротивлениями.
Ранее подобные высококачественные усилители
использовались исключительно в аналоговых
вычислительных устройствах для выполнения
таких
математических
операций,
как
суммирование и интегрирование. Отсюда и
произошло их название - операционные усилители.
В настоящее время операционные усилители
выполняются в виде монолитных интегральных
микросхем и по своим размерам и цене
практически не отличаются от отдельно взятого
транзистора. Поэтому операционные усилители
вытесняют
отдельные
транзисторы
как
элементы схем во многих областях линейной
схемотехники.
Операционный усилитель:
а - условное обозначение;
б - передаточная характеристика
Условное графическое обозначение ОУ:
без дополнительного поля
с дополнительными полями
NC - выводы балансировки;
FC - выводы частотной коррекции;
Еп - выводы напряжения питания; 0V- общий вывод.
Входной каскад ОУ выполняется в виде
дифференциального усилителя, поэтому он
имеет два входа.
В
области
низких
частот
выходное
напряжение UВЫХ находится в той же фазе, что
и разность входных напряжений, именуемая
дифференциальным входным сигналом:
UДИФ = UНЕИНВ – UИНВ.
Операционные усилители предназначены для
усиления
дифференциального
входного
напряжения и для подавления синфазного
входного сигнала - одинакового изменения
сигналов UНЕИНВ и UИНВ.
Чтобы обеспечить возможность работы ОУ
как
с
положительными,
так
и
с
отрицательными
входными
сигналами,
используют двуполярное питающее напряжение.
Как правило, стандартные ОУ в интегральном
исполнении работают с напряжениями питания
±3...±18В.
Основные свойства и параметры ОУ
Основные свойства идеального ОУ:
1. Бесконечно большой коэффициент усиления
КУС. При наличии отрицательной обратной связи
(ООС),
определяет
эффект
слежения
напряжений на входах ОУ и формирование
разностного напряжения ∆UВХ равного нулю ;
2. Нулевые входные токи IВХ;
3. Нулевое напряжение смещения нуля UСМ;
4. Бесконечно большое входное сопротивление
RВХ;
5. Нулевое выходное сопротивление RВЫХ.
Основные параметры ОУ:
- напряжение смещения UСМ – это постоянное
напряжение, которое необходимо подать на вход
ОУ, чтобы получить UВЫХ=0;
- входной ток IВХ – это ток, протекающий во
входной цепи ОУ;
- выходное сопротивление RВЫХ – это
величина,
равная
отношению
приращения
выходного напряжения ОУ к вызвавшей его
активной составляющей выходного постоянного
или
синусоидального
тока
при
заданной
частоте
сигнала
и
уровне
постоянной
составляющей выходного напряжения;
максимальная
скорость
выходного напряжения VUвых –
скорость изменения Uвых ОУ при
импульса максимального входного
прямоугольной формы.
нарастания
наибольшая
воздействии
напряжения
Основные параметры ОУ:
1. Коэффициент усиления без обратной связи
(К). Коэффициент усиления усилителя в
отсутствие обратной связи. Обычно равен
нескольким тысячам. Называется также полным
коэффициентом усиления по напряжению;
2.
Входное
напряжение
сдвига
(UСДВ).
Небольшие
нежелательные
напряжения,
возникающие
внутри
усилителя,
служат
причиной появления на его выходе некоторого
ненулевого напряжения при нулевом напряжении
на обоих входах. Является следствием неточного
согласования напряжений эмиттер — база
входных транзисторов. Обычно UСДВ равно
нескольким милливольтам;
3. Входной ток смещения (IСМ). Ток на входах
усилителя, необходимый для работы входного
каскада операционного усилителя; ток базы,
который должен быть обеспечен для входного
транзистора;
4. Входной ток сдвига (IСДВ). Разность токов
смещения, необходимых для двух входных
транзисторов
операционного
усилителя.
Появляется вследствие неточного согласования
коэффициентов усиления по току (β) входных
транзисторов. IСДВ = IСМ1 — IСМ2. Входной ток
сдвига является переменной величиной. Обычно
IСДВ лежит в диапазоне от нескольких единиц до
нескольких сотен наноампер;
5. Входное сопротивление RВХ. Сопротивление
усилителя по отношению ко входному сигналу.
Как правило, RВХ превышает один мегаОм, но
может достигать и нескольких сотен мегомов.
Следует
различать
дифференциальное
входное сопротивление, т. е. сопротивление
между двумя входными выводами, и синфазное
входное сопротивление, т. е. сопротивление
между объединенными обоими выводами входов и
землей;
6. Выходное сопротивление RВЫХ - Внутреннее
сопротивление усилителя, о котором можно
судить по напряжению на его выходе. Обычно
RВЫХ не превосходит нескольких сотен омов;
7.
Коэффициент
ослабления
синфазных
входных
напряжений.
Характеризует
способность ослаблять (не усиливать) сигналы,
приложенные к обоим входам одновременно;
8. Коэффициент влияния нестабильности
источника питания на выходное напряжение.
Показывает изменение выходного, напряжения
при изменении напряжений питания (+U и —U
одновременно) на 1 В. Обычно дается в
микровольтах на вольт;
9. Входная емкость (CВХ). Емкость между
входными выводами и землей;
10. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки),
потребляемый операционным усилителем;
11. Потребляемая мощность. Мощность (без
нагрузки),
рассеиваемая
операционным
усилителем;
12. Максимальная скорость нарастания
выходного
напряжения
(V).
Максимальная
скорость изменения выходного напряжения,
данная в вольтах на микросекунду;
13. Переходная характеристика. Сигнал на
выходе операционного усилителя при подаче на
его
вход
ступеньки
напряжения.
Время
нарастания и величина выброса выходного
напряжения
даются
для
стандартного
изменения входного напряжения;
14. Предельно допустимые значения. Сюда
относятся такие параметры, как максимальная
рассеиваемая мощность, рабочий диапазон
температур,
максимальное
напряжение
питания, максимальная разность входных
напряжений
(между
инвертирующим
и
неинвертирующий
входами),
максимальное
напряжение синфазных входных сигналов и
интервал температур хранения. (Превышение
этих максимальных значений приводит к
повреждению операционного усилителя).
Устройства на основе операционных
усилителей
Усилители на ОУ используют отрицательную
обратную связь (ООС), поэтому пользуются
тремя
упрощающими
предположениями
о
свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без
обратной связи и входное сопротивления
бесконечно велики, выходное сопротивление
равно нулю.
Большой
коэффициент
усиления
по
напряжению ОУ приводит к тому, что изменение
напряжения между входами на несколько долей
милливольта вызывает изменение выходного
напряжения в пределах его полного диапазона.
Правила для анализа схем на ОУ:
1. ОУ усиливает разность напряжения между
входами и за счет внешней схемы ООС
передает напряжение с выхода на вход таким
образом, что разность напряжений между
входами практически равна нулю.
2. Входы операционного усилителя токов не
потребляют.
Входное
сопротивление
различных типов ОУ находится в пределах от
мегаом до тысяч мегаом, входные токи - от
долей наноампер до пикоампер.
Инвертирующий усилитель
Если входные токи
ОУ равны нулю, то
коэффициент
усиления
напряжению
по
Входное сопротивление схемы RBX = R1.
Выходное сопротивление схемы мало и равно
долям ома.
Недостатком схемы является малое входное
сопротивление, особенно для усилителей с
большим
коэффициентом
усиления
по
напряжению, в которых резистор R1 как
правило, бывает небольшим.
Достоинством
схемы
является
малое
значение синфазного напряжения, практически
равного нулю.
Так как коэффициент усиления определяется
всего лишь соотношением двух сопротивлений,
делает применение инвертирующего усилителя
очень гибким.
Для уменьшения ошибок, вызванных входным
током
смещения,
используют
включение
дополнительного
резистора
между
неинвертирующим входом и общим проводом.
Величина этого резистора должна быть равна
R2 =R1RОС
Для приведенного
примера:
R1 = 10кОм,
RОC = 100кОм,
R2 = 9,1 кОм.
С целью уменьшения токов смещения и их
температурных дрейфов в практических схемах
входные сопротивления имеют типичное значение от
1 до 100 кОм.
Резисторы
обратной
связи
должны
быть
достаточно большими, тогда они не будут
существенно нагружать выход, вместе с тем, если
они будут слишком большими, то входной ток
смещения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме
того, высокое сопротивление в цепи обратной связи
повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних
наводок и увеличивает влияние паразитной емкости.
Для ОУ общего назначения обычно выбирают
резисторы цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100
кОм.
Следовательно, практическое значение KU MAX
инвертирующего усилителя равно 100.
Неинвертирующвй усилитель
Разность входных
напряжений для ОУ,
охваченного
ООС,
равна нулю.
Тогда напряжение
UA = UBX.
Напряжение
UА
снимается
с
делителя напряжения:
UA=UВЫХR1/(R1 + RОС).
Если UA = UBX, то KU = UВЫХ/UBX=1+RОС/R1.
Входное сопротивление схемы велико (для ОУ
с биполярными транзисторами на входе оно
превышает 108 Ом), а выходное - доли Ом.
Главное достоинство схемы - высокое входное
сопротивление, недостаток - на входе ОУ
имеется
синфазное
напряжение,
равное
входному сигналу.
Повторитель на основе ОУ:
неинвертирующий усилитель, в
котором R1 =  (разрыв), а ROC
= 0 (замыкание), следовательно
KU = 1.
Называется
буфером,
применяется для согласования
схем с высокими выходными и
низкими
входными
сопротивлениями.
Суммирующий усилитель
Полагая,
что
входы ОУ ток не
потребляют,
имеем:
IОС = I1 + I2
Поскольку потенциал инвертирующего входа
ОУ равен 0 (мнимая земля) имеем:
-UВЫХ/RОС = U1/R1 + U2/R2,
UВЫХ = ~(U1RОC/R1 + U2RОС/R2.
Сопротивления резисторов обычно лежит в
пределах от 10 до 100 кОм.
Вычитающий
усилитель
(дифференциальный)
В
случае,
если
сопротивления всех
резисторов в схеме
одинаково R1 = R2 =
R3 = RОС
UBblX=UBX2 - UBX1.
Рекомендуемая литература
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая
схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. - М.:
ДМК Пресс, 2007. - 942 с: ил.
2. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника
аналоговых электронных устройств: Учебник для
вузов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2001.– 320 с.
3. Лаврентьев Б.Ф. Схемотехника электронных
средств. Учебное пособие для студ. высш. учеб.
заведений / Б.Ф. Лаврентьев – М.: Издательский
центр «Академия», 2010. – 336 с.
4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и
аналого-цифровых электронных устройств 3-е
изд.стер./ Волович Г.И. – М.: Издательский дом
«Додэка-XXI», 2011. – 528 с.
1.
Задания для СРС
1.
Назовите
характеристики
идеального
операционного усилителя;
2. Дайте определение напряжения сдвига;
3. Назовите основную причину возникновения
UСДВ и IСДВ на входе операционного усилителя на
биполярных транзисторах;
4.
Укажите
основные
различия
между
операционными усилителями со входом на полевых
транзисторах и со входом на биполярных
транзисторах;
5. Повторитель напряжения является хорошим
буферным каскадом. Объясните, почему?
6. Инвертирующий усилитель имеет R1 = 10
кОм, RОС = 120 кОм, UВХ = 0,2 В. Вычислите UВЫХ .