Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Июня 2013 в 23:14, реферат
Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
Введение…………………………………………………………………...2
Операционные усилители: общие сведения………………………….3
Обозначение ОУ на принципиальных схемах………………...4
Подключение ОУ к источнику питания……………………….5
Входное и выходное напряжения………………………………5
Два правила, справедливые для идеального ОУ………………7
Идеальный и реальный ОУ……………………………………...8
Параметры и характеристики ОУ………………………………8
Применение операционных усилителей……………………………..11
ОУ в аналоговой схемотехнике……………………………….11
Отрицательная обратная связь…………………………………12
Заключение…………………………………………………………………14
Список использованной литературы……………………………………..15
Содержание
Введение…………………………………………………………
Заключение……………………………………………………
Список использованной
Введение
Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
Параметры реальных ОУ несколько хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве.
1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.
Интегральные ОУ унаследовали
прежнее название от своих предшественников
и очень широко распространены в
аналоговой схемотехнике. В настоящее
время ОУ выполняются, как правило,
в виде монолитных интегральных микросхем
и по своим размерам и цене практически
не отличаются от отдельно взятого
транзистора. Благодаря практически
идеальным характеристикам
Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК), рис. 1.1.
Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на рис. 1.2 (1 – инвертирующий вход, 2 – неинвертирующий вход, 3 – выход, 4 и 5 – выводы для подключения источника питания).
Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (^) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.
В общем случае для работы операционного усилителя требуется двухполярный (расщепленный) источник питания; типичные значения напряжений источника составляют ±6 В; ±12 В; ±15 В (иногда ±18 В). Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке представлена на рис. 1.3.
В ряде случаев для питания ОУ используется несимметричное питание, например +12 и –6 В, или даже однополярное питание, например, +30 В и земля. Так как в представленной схеме земля не подключена к ОУ, токи возвращаются от ОУ к источнику питания через внешние (навесные) элементы схемы (в нашем случае это сопротивление нагрузки RH).
Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах , где – напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:
где K – коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что (напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (–)), тогда выходное напряжение положительно, рис. 1.4,а.
В случае, если (напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (–)), выходное напряжение отрицательно, рис. 1.4,б.
Общая зависимость представлена на рис. 1.5. Выходное напряжение линейно зависит от лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от до ) и не может превышать величины UНАС.
Рис. 1.5. Амплитудная характеристика операционного усилителя
Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение ), разность напряжений между его входами равна нулю ( ).
Для того, чтобы ОУ работал в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что будучи охвачен ООС операционный усилитель сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами.
ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.
Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.
Для идеального ОУ справедливо:
Параметры реального ОУ несколько
хуже. Однако в большинстве случаев
для анализа схем на операционных
усилителях можно использовать оба
правила, справедливые для идеального
ОУ. Знание реальных значений параметров
конкретного ОУ позволяет оценить
погрешность схемы
Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.
К входным параметрам относятся:
напряжение смещения; средний входной
ток; разность входных токов; входные
сопротивления; коэффициент ослабления
синфазного сигнала (синфазного напряжения);
диапазон синфазных входных напряжений;
температурный дрейф напряжения
смещения; температурные дрейфы среднего
входного тока и разности входных
токов; напряжение шумов, приведенное
ко входу; коэффициент влияния
Напряжение смещения ЕСМ – дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю.
Средний входной ток IВХ – среднеарифметическое значение токов обоих входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении UВХ, при котором выходное напряжение UВЫХ равно 0. Эти токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, входные токи – это токи, потребляемые входами ОУ.
Разность входных токов ΔIВХ – это разность токов, потребляемых входами ОУ.
Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).
Входное сопротивление для дифференциального сигнала RВХ. ДИФ – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом (заземлен).
Входное сопротивление для синфазного сигнала RВХ. СИНФ характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОС СИНФ определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:
С учетом (1.5) напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно .
Для каждого ОУ указывается диапазон изменения UВХ. ДИФ и UВХ. СИНФ, превышение предельных значений которых может привести к потере работоспособности усилителя.
Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и составляют мкВ/°С и нА/°С. Наиболее важно учитывать данные параметры в прецизионных устройствах, так как компенсация их влияния на выходное напряжение затруднительна. Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.
Коэффициент влияния нестабильности источника питания КП – отношение изменения напряжения смещения ΔЕСМ к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ΔUП.
К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.
Коэффициент усиления по напряжению ОУ К – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:
К = ΔUВЫХ/ΔUВХ.
Частота единичного усиления f1 - это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.
Скорость нарастания выходного напряжения - это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Скорость нарастания определяется при подаче на вход усилителя импульса напряжения прямоугольной формы.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
2.1. ОУ в аналоговой схемотехнике.
В настоящее время в
электронике широкое
2.2. Отрицательная обратная связь.
Во многих случаях
ОУ применяется с