Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока, применяемый для реализации различных функциональных операций, таких как сложение, вычитание, деление, логарифмирование, дифференцирование и другие. Благодаря интегральной технологии стало возможным изготовление ОУ, близкого по своим свойствам к идеальному. Такой усилитель имеет большой коэффициент усиления до 105, большое входное сопротивление до 106 Ом, малое выходное сопротивление порядка 100-200 Ом, малые собственные шумы и дрейф нуля. В настоящее время на основе интегральных ОУ выполняются генераторы синусоидальных и импульсных колебаний, источники опорных напряжений, избирательные фильтры, блоки сравнения и многие другие устройства.

В целом ОУ можно представить в виде трёх последовательно соеди­нённых каскадов (рис.7.1).

Входным каскадом является дифференциальный усилитель ДУ, который работает в режиме микротоков, имеет малый дрейф нуля, высокое входное сопротивление и небольшой коэффициент усилений по напряжению порядка 10.

Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения УН. Обычно он имеет коэффициент усиления по напряжению более 100 и малый дрейф нуля, что достигается благодаря использованию балансной схемы усилителя постоянного тока.

Оконечный каскад ОУ является усилителем мощности УМ. Он имеет коэффициент усиления по напряжению в пределах 5-50, малое выход­ное сопротивление и обеспечивает передачу в нагрузку максимальной мощности.

Дифференциальный усилитель имеет два входа: инвертирующий (вход 1) и не инвертирующий (вход 2). При поступлении входного синусоидально­го напряжения на инвертирующий вход с выхода ОУ будет сниматься усиленный сигнал противоположной полярности, т.е. инвертированный относительно входного. Напряжения на неинвертирующем входе и выходе ОУ совпадают по фазе. Для удобства чтения электрических схем инвертирующий вход обозначается еще знаком минус, а неинвертирующий - знаком плюс.

В принципе входные сигналы могут поступать одновременно на оба входа усилителя. В этом случае выходное напряжение будет пропорци­онально разности входных сигналов, т.е. усилитель с дифференциаль­ным входом может использоваться как устройство для вычитания сигна­лов.

Схема включения дифференциального ОУ приведена на рис.7.2.

Здесь Uвх1 и Uвх2 - входные сигналы на инвертирующем и не инвертирующем входах; Rн - сопротивление нагрузки; Е1 и Е2 -источники питания, а выходной сигнал U_вых=K_ОУ(U_вх2-U_вх1).

В тех случаях, когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход (Uвх2 = 0), амплитудная характеристика усилителя имеет вид кривой I (рис.7.3). С увеличением входного напряжения от - Uвхm до Uвхm выходное напряжение изменяется пропорционально входному.

При превышении входным напряжением величины ± Uвхm происходит насыщение усилителя и выходное напряжение перестаёт изменять­ся. Вследствие большого коэффициента усиления ОУ величина Uвхm обычно не превышает единиц милливольт.

При наличии сигнала на не инвертирующем входе (Uвхm =0) полу­чаем амплитудную характеристику в виде кривой 2.

Симметричный вид амплитудной характеристики относительно нача­ла координат, т.е. возможность работы усилителя как при положитель­ных, так и при отрицательных входных напряжениях, обеспечивается ис­пользованием двух разнополярных, равных по величине источников пи­тания Е1 и Е2.

Подключая между входами и выходом усилителя соответствующие це­пи обратной связи, можно получить устройства с различными функцио­нальными возможностями. Рассмотрим некоторые из них.

Инвертирующий усилитель

Одним из наиболее распространённых устройств на ОУ является инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рис.7.4.

Входное напряжение подаётся на инвертирующий вход через резистор R1, определяющий величину входного сопротивления. Резистор R2 обеспечивает в усилителе отрицательную обратную связь.

Ток, протекающий через инвертирующий вход ОУ, примерно равен нулю из-за большого входного сопротивления, а напряжение на вхо­де ненасыщенного ОУ близко к нулю из-за большого коэффициента усиления.

return false">ссылка скрыта

С учётом этого можно считать, что напряжение на резисторе R2 примерно равно выходному напряжению ОУ Uвых, а входной ток I₁= - I₂ ≈ , тогда

U_ВЫХ≈ = =-U_ВХ , (7.1)

а коэффициент усиления инвертирующего усилителя

(7.2.)

Коэффициент усиления К полностью определяется величинами резисторов R1, R2 и не зависит от напряжений источников пита­ния Е1, Е2, коэффициента усиления ОУ и других факторов, ко­торые могут изменяться в процессе работы устройства. Следователь­но, рассматриваемый инвертирующий усилитель обладает высокой ста­бильностью коэффициента усиления. Подбирая необходимую величину сопротивления резистора R2 при заданном сопротивлении R1, можно обеспечить требуемый коэффициент усиления. Обычно этот коэф­фициент усиления не превышает ста и должен быть много меньше коэф­фициента усиления ОУ. Только в этом случае достигается устойчивая и стабильная работа устройства, а принятые допущения и выражения (7.1)-(7.2) будут справедливы.

Интегратор

Интегратор представляет собой устройство, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный интегралу oт входного напряжения. Для этого в цепь отрицательной обратной связи включают кон­денсатор С, а входной сигнал подают на инвертирующий вход через резистор R (рис.7.5).

С учётом принятых для инвертирующего усилителя допущений напряжение на выходе интегратора

, (7.3)

где U_С - напряжение на конденсаторе обратной связи; i_С - ток конденсатора.

Подставляя в (7.3) величину тока i_С= имеем

. (7.4)

Таким образом, выходное напряжение устройства определяется интегралом от входного напряжения и произведением τu=RC, которое называют постоянной времени интегратора. С увеличением постоянной времени интегратора уменьшается погрешность интегрирования и уменьшается величина выходного напряжения.

При входном напряжении, имеющем форму прямоугольных импульсов с длительностью tu положительной полярности и такой же дли­тельности отрицательной полярности (рис.7.6), выходное напряжение будет изменяться по линейному закону согласно выражению

U_ВЫХ=± , (7.5)

где U(0) – напряжение на выходе ОУ к моменту очередной коммутации.

Для интервала Uвх>0 в формуле следует брать знак +, при Uвх<0 знак -.

Изменяя величину резистора R, можно регулировать амплитуду Uвыхm выходного пилообразного напряжения. На рис.7.6 кривая I получена при меньших значениях резистора R, а кривая 2 - при больших.

Постоянная времени интегратора ограничивает длительность вход­ного импульса. Для нормальной работы интегратора необходимо, что­бы за время tu конденсатор заряжался до напряжения, меньшего напряжения насыщения ОУ, обычно несколько меньшего напряжения питания. Из выражения (7.5) можно получить мини­мально допустимую величину постоянной времени интегратора RC.

RC> (7.6)

 

Мультивибратор

На рис.7.7 приведена схема симметричного мультивибратора в автоколебательном режиме. К инвертирующему входу подключена время - задающая цепочка, состоящая из конденсатора С и резистора R1, определяющая длительность выходных импульсов. Резисторы R2, R3 образуют делитель, напряжение с которого подаётся на не инвертирующий вход, чем обеспечивается положительная обрат­ная связь.

Диаграммы напряжений, поясняющие работу мультивибратора, приве­дены на рис.7.8. Здесь , -напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ DА; U_m -амплитуда выходного напряжения мультивибратора; U_C -напряжение на конденсаторе.

Выходное напряжение мультивибратора уменьшенное делителем R2, R3 в β - раз, где β= - коэффициент положи­тельной обратной связи, подается на неинвертирующий вход и поддер­живает схему в квазиустойчивом состоянии. Под действием выходного напряжения происходит заряд конденсатора С через резистор R1.

Пока напряжение на конденсаторе, а следовательно, на инвертирующем входе меньше по модулю величины βUm, усилитель нахо­дится в насыщенном режиме. При достижении на конденсаторе напряжения, равного напряжению на не инвертирующем входе, усилитель переходит в активные режим работы. Напряжение на выходе начинает уменьшаться. Через цепь положительной обратной связи изменение напряжения передаётся на не инвертирующий вход, приводя к ещё боль­шему уменьшению выходного напряжения. Происходит лавинообразный процесс опрокидывания схемы, в результате которого полярность выходного напряжения изменяется на противоположную, а усилитель пе­реходит во второе квазиустойчивое состояние.

Затем происходит перезаряд конденсатора выходным напряжением противоположной полярности до величины, равной напряжению на не инвертирующем входе и т.д.

Так, в момент времени t₀ (рис.7.8) напряжение на выходе муль­тивибратора равно Um, на неинвертирующем входе βU_m, а на инвертирующем входе определяется напряжением конденсатора С, который стремится зарядиться до величины U_m. В момент време­ни t1 напряжение на конденсаторе достигает величины βU_m и выходное напряжение скачком изменяется до – U_m. На неинвертирующем входе появляется напряжение – βU_m, а конденсатор начинает перезаряжаться до величины – U_m. В момент времени t2, когда напряжение конденсатора достигает величины –βU_m произойдёт новое опрокидывание мультивибратора.

Для симметричного мультивибратора длительности положительного и отрицательного выходных импульсов равны и определяются по формуле

. (7.7)

В несимметричном мультивибраторе, когда требуется получить раз­личные длительности положительного и отрицательного импульсов, применяют разные цепи заряда конденсатора.

Схема несимметричного мультивибратора представлена на рис.7.9. Здесь заряд конденсатора положительным напряжением проходит через диод VD1 и сопротивление R′1 переменного резистора R1. При отрицательном выходном напряжении ток заряда конденсатора протекает через диод VD2 и сопротивление R′′1. Изменяя величины сопротивлений R'1 и R′′1 с помощью движка потенциометра R1, можно регулировать скважность выходных им­пульсов Q при постоянном периоде колебаний:

 

Q= (7.8)

где γ =

С увеличением γ скважность положительных импульсов будет увеличиваться.

Период следования выходных импульсов при постоянной скважнос­ти можно изменять, как видно из выражения (7.7), задавая различный коэффициент положительной обратной связи β. С увеличением β увеличивается период следования выходных импульсов.