24 Операционные усилители, их основные параметры и схемы включения.

Усилители, позволяющие выполнять операции суммирования, интегрирования, дифференцирования и логарифмирования, представляют основу аналоговых вычислительных машин. Используемые обычно для этих целей усилители постоянного тока, помимо малого дрейфа, должны иметь большой коэффициент усиления и допускать охват их глубокой обратной связью без нарушения устойчивости.

ОУ – это усилители постоянного тока с дифференциальным входом, обладающие весьма большим коэффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 100 МГц), высоким (до 100 МГц) входным и низким (десятки Ом) выходным сопротивлениями.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).

2. Uсдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 - 100 мВ.

3. Iсм - Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. Iсдв - Входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. сдв см1 см2 I = I − I .

5. Rвх - Входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10мегаом.

6. Rвых - Выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.

7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10.Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. - Напряжение питания.

12.Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

Основные схемы включения ОУ.

В инвертирующем усилителе (рис.3.18.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если Uвх, положительное то напряжение в точке А, а значит и Uд , также станет положительным, а Uвых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины Uд =Uвых / К ≈ 0. Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд, как правило, весьма мало.

Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен Кос.

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение К_ос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1.. Сопротивление R1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ Uвых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ - Uд, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя Uвых = Uд · К.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным Uос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.Если задать U1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U2, то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R2 и R΄ос. Если оба напряжения U1 и U2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R1 и Rос станет равным Uос. Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U1 и U2. Очевидно, что если U2 на рис.3.21 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U1 как инвертирующий усилитель.

Идеальный ОУ отрабатывает изменения только дифференциального входного сигнала и не реагирует на изменения синфазного напряжения. В реальных же ОУ изменение синфазного входного напряжения вызывает изменение (правда, весьма незначительное) выходного напряжения. Способность ОУ отличать дифференциальный входной сигнал от изменений синфазного напряжения является одной из его важнейших характеристик. Количественно эта способность называется коэффициентом ослабления синфазных входных напряжений, равным отношению коэффициента усиления ОУ к его коэффициенту усиления синфазных входных напряжений.

Коэффициент усиления напряжения ОУ определяют как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения. Частота входного сигнала, при которой уменьшается на 3 дБ (1,4 раза) по сравнению с его значением на низших частотах, определяет верхнюю границу полосы пропускания усилителя.

Отношение приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока на заданной частоте сигнала называют входным сопротивлением. Это сопротивление следует отличать от входного сопротивления ОУ для синфазных входных напряжений, которое определяется как отношение приращения синфазных входных напряжений к приращению активной составляющей среднего входного тока на заданной частоте сигнала.

Важнейшим выходным параметром ОУ является максимальное выходное напряжение: наибольшее неискаженное напряжение при определенном входном напряжения и заданном сопротивлении нагрузки. Для некоторых типов ОУ это напряжение может быть различным для положительной и отрицательной полярности сигнала.

25. Использование усилительных операций для реализации вычислительного алгоритма

Рисунок 1.1 - Схема дифференциального усилителя

Стандартная схема ДУ на ОУ представлена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть, что в отличие от рассмотренных ранее усилителей в схеме рис.1.1 усиливаемый сигнал подается на дифференциальный вход ОУ. Предположим, что на вход подается ДУ только полезный сигнал, который может быть представлен в виде разности двух источников напряжения U₁ – U₂ = E₀, включенных по схеме с общей точкой. Как известно из теории работы ОУ, для них справедливо правило виртуального нуля, то есть потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов можно считать одинаковыми (Uд = 0). Исходя из схемы включения, оба входа будут находиться под напряжением U₀.  Применив метод суперпозиции, рассмотрим две конфигурации схемы. В схеме на рис. 1.2 U₂ = 0 и схема превращается в стандартный инвертирующий усилитель.

Рисунок 1.2

Так как входными токами ОУ можно пренебречь, через резисторы R₂ и R₄ токи не протекают, а значит напряжение U₀ = 0. В этом случае напряжение на выходе: 

В схеме на рис. 1.3 U₁ = 0 и конфигурация схемы соответствует неинвертирующему усилителю, входным напряжением которого является U₀, подаваемое на вход с делителя R₂ - R₄. Напряжение на выходе: 

где 

Если подать напряжение на оба входа одновременно, то в соответствии с теорией работы ОУ, напряжение на инвертирующем входе всегда будет поддерживаться на уровне U₀.

Рисунок 1.3

Приняв входное сопротивление ОУ равным бесконечности, можно записать 

I₁ = I₃; I₂ = I₄.

В то же время справедливо соотношение: 

то есть: 

Преобразуем данное выражение и получим: 

Как следует из полученного выражения , выходное напряжение представляет собой алгебраическую сумму напряжений, полученных на выходах неинвертирующего и инвертирующего усилителей при заземлении соответствующих входов ДУ. Если в полученное выражение подставить значение для U₀, то получим: 

Если в данной схеме выполнить равенство R1 = R2, R3 = R4, то получим: 

Можно считать это соотношение основным, связывающим выходное и входное напряжения дифференциального усилителя, то есть: 

U_ВЫХ = К · Е0,

где Е0 = (U2 – U1) – входное дифференциальное напряжение ДУ;  – коэффициент усиления ДУ. Следует помнить, что на вход ДУ подается дифференциальное напряжение, то есть это может быть сигнал от изолированного источника, не связанного с «землей». На выходе ДУ получается униполярный сигнал, снимаемый относительно «земли». Причем полярность выходного напряжения определяется большим из U₁ и U₂, то есть, фактически, полярностью входного напряжения.  Выбор сопротивлений в схеме ДУ производится исходя из тех же соображений, что и для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. С учетом того, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ потенциально объединены, входное сопротивление ДУ может считаться равным R_ВХ = R₁ + R₂. 

25. Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором(подавителем,активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются: 1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°, 2. петлевое усиление >1, 3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений. Необходимость третьего условия. Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, так как рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор. В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

25. Условия баланса фаз и амплитуд. Амплитудные характеристики

Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рис необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем(φ_Y) и звеном обратной связи(φ_γ) , в сумме должны быть кратными 2П

Второе условие , необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:

При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.