Основные свойства ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители.

План лекции

№ п/п	Учебные вопросы	Время (мин.)
I.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
II.	ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
	1. Основные свойства ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители.
	2. Решающие усилители.
III.	ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Литература:

1. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. – С.197‑210

Материальное обеспечение:

1.Плакаты: Каскады операционных усилителей, Применение операционных усилителей.

2.Демонстрационное оборудование на основе ПЭВМ, набор демонстрационных файлов.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время при проектировании электронных средств широко используют не дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. п.), а законченные функциональные узлы, выполненные в виде аналоговых ИС. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплуатационные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования, которое фактически сводится к разработке структуры, удовлетворяющей поставленным требованиям, выбору необходимых аналоговых ИС и согласованию их входных и выходных характеристик. К аналоговым ИС относятся усилители постоянного тока, схемы сравнения (компараторы), источники питания (стабилизаторы напряжения), схемы звуковоспроизводящей и радиоприемной аппаратуры. Однако, несмотря на различие используемой элементной базы, функционального назначения и технологии изготовления основой большинства из них является схемотехника ОУ.

Основные свойства ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители.

Под ОУ понимают особый класс микроэлектронных устройств, обладающих высоким собственным усилением, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным. По своему схемному построению ОУ являются усилителями постоянного тока, выполненными по дифференциальной схеме.

ОУ изготовляется в видеаналоговой интегральной схемы и имеет, как минимум, пять выводов. Условное графическое изображение на рис. 1. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) - инвертирующим. Выходное напряжение U_вых связано с входными напряжениями U_вх1 и U_вх2 соотношением

где К_U₀- собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

В ОУ К_U₀ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 10⁵¸10⁶ или 100 ¸ 120 дБ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Е_П, -Е_П) ± 3 ¸ ± 18 В.

Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид логарифмической АЧХ усилителя. Они строятся на основе двух-, трех- и более каскадных усилителей постоянного тока.

Основные параметры и свойства операционных усилителей:

1. Коэффициент усиления по напряжению характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал:

, К_U0 = 10⁵¸ 10⁶ (100 ¸ 120 дБ).

2. Входное напряжение смещения. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому U_вых= 0 при U_вx= 0. Иногда это напряжение называют напряжением сдвига нуля. Типовое значение этого напряжения - единицы - десятки милливольт.

3. Входной ток смещения I_вх - ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типовое значение этого тока - единицы мкА - сотни нА.

4. Входное сопротивление R_вx. Различают дифференциальное входное сопротивление R_{вх диф} и синфазное входное сопротивление R_{вх син}. При этом R_{вх диф} определяется как сопротивление между входами усилителя, а R_{вх син} - как сопротивление между объединенными входными выводами и нулевой шиной.

Повышение входного сопротивления достигается применением во входных каскадах специальных транзисторов, отличающихся большим коэффициентом усиления по току (единицы тысяч) за счет использования в них предельно тонкой базы или применением ПТ. Типовое значение входного сопротивления - сотни кОм.

5. Выходное сопротивление R_вых - это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления - сотни ом.

6. Максимальная скорость изменения выходного напряжения V характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Типовое значение скорости изменения выходного напряжения - единицы В/мкс.

7. Частота единичного усиления F_max- это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких МГц.

Качество ОУ определяется тем, насколько перечисленные и ряд других свойств приближаются к предельно достижимым.

Для идеального ОУ:

1. Коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности .

2. Входное сопротивление стремится к бесконечности .

3. Выходное сопротивление стремится к нулю .

4. Если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю .

5. Бесконечная полоса усиливаемых частот - .

6. Напряжение и ток шума равны 0.

Неинвертирующий усилитель

Для получения коэффициента передачи, превышающего единицу (в отличие от повторителя напряжения) в схеме данной на рис.1, необходимо обеспечить . Для этого в цепь ООС необходимо ввести делитель напряжения (рис. 6). Такой усилитель называется неинвертирующим усилителем.

Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения

. (1)

Тогда коэффициент передачи усилителя

С учетом окончательно получим

. (2)

Часто единицей в выражении (2) можно пренебречь и при определении коэффициента передачи использовать упрощенное выражение

Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:

- коэффициент передачи неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС, ;

- при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы, т.е. , т.к. ;

- коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не зависит от , т.е. получили стабильную цепь на не стабильном элементе (за счет глубокой ОС);

- обратная связь в неинвертирующем усилителе увеличивает Z_вх ОУ, т.к. ОС является по входу последовательной: . При = 10³¸ 10⁵ и входное сопротивление увеличивается в 10 ¸ 1000 раз;

- обратная связь в неинвертирующем усилителе уменьшает Z_вых ОУ, т.к. ОС является по выходу параллельной:

При = = 10³¸ 10⁵ и выходное сопротивление уменьшается в 10 ¸ 1000 раз;

- в неинвертирующем усилителе фазы входного и выходного напряжений совпадают, ;

- увеличение коэффициента передачи цепи ООС (увеличение глубины ОС) улучшает стабильность схемы, U_вых= U_вх. Чем ближе к единице, тем глубже ООС и, следовательно, тем стабильнее схема.

Таким образом, неинвертирующий усилитель - это ОУ, охваченный ООС по неинвертирующему входу. Устройство, созданное по схеме используется как развязывающее устройство.