Реферат на тему:
Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.
Ламповый операционный усилитель K2-W.
Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.
В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным каналом (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.
Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонент делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях, но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.
Обозначение операционного усилителя на схемах
На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:
Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).
Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).
ОУ 741 в корпусе TO-5
В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:
Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.
ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В до ±15 В при двуполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U- = -15…-1,5 В, допускается значительный перекос).
Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:
| (1) |
здесь
Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется[1] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:
Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:
Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:
Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах [3][4]
Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:
| (2) |
Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.
Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.
Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:
Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.
Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго[5]. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.
Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения
От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.
Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2:
K = R1 / (R1 + R2)тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления Gopenloop) имеем:
V+ = Vin V− = K Vout Vout = Gopenloop(Vin − K Vout)Решая данную систему относительно Vout / Vin, получаем:
Vout/Vin = Gopenloop/(1 + Gopenloop K)то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления Gopenloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Gopenloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:
Vout/Vin = 1/K = 1 + (R2/R1)Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.
Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:
В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение - работа ОУ в режиме компаратора.
Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.
Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.
Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.
Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.
По входным сигналам:
По выходным сигналам:
Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.
.
Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.
wreferat.baza-referat.ru
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Ишимбайский нефтяной колледжР Е Ф Е Р А Т
по электронике на тему:
«Операционные усилители и их применение» Выполнил: студент группы ЭП 11-10
Халитов А. М.
Проверил: преподаватель Брылякова Е. А. Ишимбай – 2010 год
СОДЕРЖАНИЕ׃
Введение..................................................................................................................3
1. Типы операционных усилителей.......................................................................4
2. Отличительные особенности оптронов ...........................................................6
3. Обобщенная структурная схема.....................................................................10
4. Применение........................................................................................................10
Заключение.............................................................................................................11
Литература..............................................................................................................12
Введение
Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Эти усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.1. Типы операционных усилителей В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.
С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.
Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения.Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 - 200 000; Uсм = 0,1 - 20 мВ; fт = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.
Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fт = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в cостав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.
Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяе применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).
Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА. Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого
элемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В.
Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.
Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А.
Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.
2. Основные параметры ОУ
Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры: Коэффициент усиления напряжения Kуи - отношение изменения выходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению Kуи всех его каскадов. В настоящее время Kу некоторых усилителей по постоянному току превышает 3*106. Однако его значение уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции - внешних нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.
2. Частота единичного усиления f1 - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.
3. Максимальное выходное напряжение Uвых.макс - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот параметр измеряется +Uвых.макс относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2Uвых. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина Uвых.макс уменьшается.
4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых - отношение изменения Uвых от 10 до 90%от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
5. Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр Uсм помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.
6. Входные токи Iвх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появление напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.
7. Разность входных токов . Входные токи могут отличаться друг от друга на 10…20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.
Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:
8. Дрейф напряжения смещения DUсм
9. Дрейф разности входных токов DIвх.
10. Максимальное входное напряжение Uвх - напряжение, прикладываемое между входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.
11. Максимальное синфазное входное напряжение Uвх.сф - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины Uвх.сф, а в зарубежной - диапазон.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.
13. Выходной ток - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.
Часто вместо значения Iвых в документации приводят минимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом - ток короткого замыкания Iк.з равен 25 мА.
Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличения f1,VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения “паразитных” параметров Uсм, Iвх, DIвх и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств и наоборот.
Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на:
универсальные (общего применения), у которых Куu=103…105; f1=1.5…10 Мгц;
прецизионные (инструментальные) с Куu>0.5*106 и гарантированными малыми уровнями Uсм 0.5 мВ и его дрейфа;
быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых 20 В/мкс;
регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот<1 мА.
В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, а также с учетом подключения внешних компонентов можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. На рис. 2а приведена модель инвертирующего включения ОУ. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой будем считать такую модель идеальной, что соответствует выполнению условийKu®Ґ и Ki®0, где Ku и Ki - коэффициенты усиления по напряжению и току без обратной связи, а такжеRвх®Ґ и Rвых®Ґ. В этом случае коэффициент ОУ будет равен:
Знак “-“ в уравнении указывает на инвертирование фазы (полярности) выходного сигнала.
На рис. 2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУ идеальной, как и в предыдущем случае Ku®Ґ и Ki®Ґ, Rвх®Ґ и Rвых®0, для данной схемы
В данном случае знак “-“ отсутствует, так как фаза (полярность) выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала.
Входное сопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратной связи велико: ,где Rвх.м - собственное входное сопротивление микросхемы;
Ku - коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.
Выходное сопротивление реального неинвертирующего усилителя мало
,
где Rвых.м - собственное выходное сопротивление микросхемы3. Схемы включения ОУ
Принципиальная схема разрабатываемого усилителя может быть выполнена с использованием дифференциальных микросхем следующих серий: К140, К153, К154, К544, К574 и др. Данные цепей частотной коррекции и цепей баланса взяты из справочной литературы по практическому применению микросхем.
Цепи частотной коррекции предотвращают самовозбуждения усилителя, а цепи баланса при большом коэффициенте усиления позволяют в отсутствии входного сигнала установить на выходе микросхемы напряжение равное нулю.4. Применение операционных усилителей
В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ). Заключение Спроектированный и рассчитанный выше усилитель удовлетворяет всем требованиям технического задания. Усилитель имеет коэффициент усиления около 70 дБ. Коэффициент нелинейных искажений порядка 7 %. Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, то нужно применять пространственные направляющие системы. При прослушивании человеческой речи за стенами, панелями, перегородками достаточно поместить микрофон в основание параболического рефлектора. Дистанционное звуковое прослушивание необходимо вести с помощью дистанционных направленных микрофонов, имеющих узкую диаграмму направленности.Литература
1. АЛЕКСЕЕВ А.Г., ВОЙШВИЛЛО Г.В. Операционные усилители и их применение. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
2. БОЛТАЕВ А.В., ГАДЗИКОВСКИЙ В.И. и др. Усилительные устройства на интегральных микросхемах. - Свердловск, издание УПИ, 2001 г.
3. ГОЛОВИН О.В., КУБИЦКИЙ А.А. Электронные усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.
4. НОГИН В.Н. Аналоговые электронные устройства. - Москва, Радио и связь, 2001 г.
5. ОСТАПЕНКО Г. С. Усилительные устройства. - Москва, Радио и связь, 2003 г.
6. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией ТЕРПУГОВА Н.В. - Москва, Высшая школа, 1999 г.
7. ЦЫКИНА А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. - Москва, Связь, 2003 г.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
9. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - Киев, Наукова думка, 2003 г.
bukvasha.ru
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Ишимбайский нефтяной колледж
Р Е Ф Е Р А Т
по электронике на тему:
«Операционные усилители и их применение»
Выполнил: студент группы ЭП 11-10
Халитов А. М.
Проверил: преподаватель Брылякова Е. А.
Ишимбай – 2010 год
СОДЕРЖАНИЕ׃
Введение..................................................................................................................3
1. Типы операционных усилителей.......................................................................4
2. Отличительные особенности оптронов ...........................................................6
3. Обобщенная структурная схема.....................................................................10
4. Применение........................................................................................................10
Заключение.............................................................................................................11
Литература..............................................................................................................12
Введение
Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего такие усилители получили применение для выполнения операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможных применений операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Эти усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.
1. Типы операционных усилителей В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы. С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи. Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения.Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 - 200 000; Uсм = 0,1 - 20 мВ; fт = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411. Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fт = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в cостав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634. Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяе применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием). Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА. Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевогоэлемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В. Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя. Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А. Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.
2. Основные параметры ОУ
Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры: Коэффициент усиления напряжения Kуи - отношение изменения выходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению Kуи всех его каскадов. В настоящее время Kу некоторых усилителей по постоянному току превышает 3*106. Однако его значение уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции - внешних нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.
2. Частота единичного усиления f1 - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.
3. Максимальное выходное напряжение Uвых.макс - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот параметр измеряется +Uвых.макс относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2Uвых. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина Uвых.макс уменьшается.
4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых - отношение изменения Uвых от 10 до 90%от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
5. Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр Uсм помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.
6. Входные токи Iвх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появление напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.
7. Разность входных токов . Входные токи могут отличаться друг от друга на 10…20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.
Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:
8. Дрейф напряжения смещения DUсм
9. Дрейф разности входных токов DIвх.
10. Максимальное входное напряжение Uвх - напряжение, прикладываемое между входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.
11. Максимальное синфазное входное напряжение Uвх.сф - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины Uвх.сф, а в зарубежной - диапазон.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.
13. Выходной ток - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.
Часто вместо значения Iвых в документации приводят минимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом - ток короткого замыкания Iк.з равен 25 мА.
Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличения f1,VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения “паразитных” параметров Uсм, Iвх, DIвх и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств и наоборот.
Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на:
универсальные (общего применения), у которых Куu=103…105; f1=1.5…10 Мгц;
прецизионные (инструментальные) с Куu>0.5*106 и гарантированными малыми уровнями Uсм 0.5 мВ и его дрейфа;
быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых 20 В/мкс;
регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот<1 мА.
В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, а также с учетом подключения внешних компонентов можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. На рис. 2а приведена модель инвертирующего включения ОУ. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой будем считать такую модель идеальной, что соответствует выполнению условийKu®Ґ и Ki®0, где Ku и Ki - коэффициенты усиления по напряжению и току без обратной связи, а такжеRвх®Ґ и Rвых®Ґ. В этом случае коэффициент ОУ будет равен:
Знак “-“ в уравнении указывает на инвертирование фазы (полярности) выходного сигнала.
На рис. 2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУ идеальной, как и в предыдущем случае Ku®Ґ и Ki®Ґ, Rвх®Ґ и Rвых®0, для данной схемы
В данном случае знак “-“ отсутствует, так как фаза (полярность) выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала.
Входное сопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратной связи велико:
,
где Rвх.м - собственное входное сопротивление микросхемы;
Ku - коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.
Выходное сопротивление реального неинвертирующего усилителя мало
,
где Rвых.м - собственное выходное сопротивление микросхемы
3. Схемы включения ОУ
Принципиальная схема разрабатываемого усилителя может быть выполнена с использованием дифференциальных микросхем следующих серий: К140, К153, К154, К544, К574 и др. Данные цепей частотной коррекции и цепей баланса взяты из справочной литературы по практическому применению микросхем.
Цепи частотной коррекции предотвращают самовозбуждения усилителя, а цепи баланса при большом коэффициенте усиления позволяют в отсутствии входного сигнала установить на выходе микросхемы напряжение равное нулю.
4. Применение операционных усилителей
В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ).
Заключение Спроектированный и рассчитанный выше усилитель удовлетворяет всем требованиям технического задания. Усилитель имеет коэффициент усиления около 70 дБ. Коэффициент нелинейных искажений порядка 7 %. Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, то нужно применять пространственные направляющие системы. При прослушивании человеческой речи за стенами, панелями, перегородками достаточно поместить микрофон в основание параболического рефлектора. Дистанционное звуковое прослушивание необходимо вести с помощью дистанционных направленных микрофонов, имеющих узкую диаграмму направленности.
Литература
1. АЛЕКСЕЕВ А.Г., ВОЙШВИЛЛО Г.В. Операционные усилители и их применение. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
2. БОЛТАЕВ А.В., ГАДЗИКОВСКИЙ В.И. и др. Усилительные устройства на интегральных микросхемах. - Свердловск, издание УПИ, 2001 г.
3. ГОЛОВИН О.В., КУБИЦКИЙ А.А. Электронные усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.
4. НОГИН В.Н. Аналоговые электронные устройства. - Москва, Радио и связь, 2001 г.
5. ОСТАПЕНКО Г. С. Усилительные устройства. - Москва, Радио и связь, 2003 г.
6. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией ТЕРПУГОВА Н.В. - Москва, Высшая школа, 1999 г.
7. ЦЫКИНА А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. - Москва, Связь, 2003 г.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
9. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - Киев, Наукова думка, 2003 г.
www.referatmix.ru
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Ишимбайский нефтяной колледж
Р Е Ф Е Р А Т
по электронике на тему:
«Операционные усилители и их применение»
Выполнил: студент группы ЭП11-10
Халитов А. М.
Проверил: преподаватель Брылякова Е.А.
Ишимбай – 2010 год
СОДЕРЖАНИЕ ׃
Введение..................................................................................................................3
1. Типы операционных усилителей.......................................................................4
2. Отличительные особенности оптронов ...........................................................6
3. Обобщенная структурная схема.....................................................................10
4. Применение........................................................................................................10
Заключение.............................................................................................................11
Литература..............................................................................................................12
Введение
Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широкоиспользуемый в современных схемах формирования и преобразованияинформационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и вцифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, преждевсего такие усилители получили применение для выполнения операцийсуммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертированияи т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованныебалансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционныеусилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров,диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильныхтоков и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможныхприменений операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математическихопераций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W былразработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились впродаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семьгерманиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличениюнадежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеровспособствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУmА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году.В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Этиусилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, чтоспособствует их массовому распространению.ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкимизначениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются ототдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУпочти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителяи отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того,благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различныхэлектронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем надискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы вкачестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговойсхемотехники.
1. Типы операционных усилителей В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральныхОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общейтехнологией и схемотехникой, точностными, динамическими илиэксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться,т.е. включать общие элементы. С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можноразделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарныхполевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУполевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычноиспользуются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счетэтого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи. Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения.Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 - 200 000; Uсм = 0,1 - 20мВ; fт = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411. Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеютвысокие динамические характеристики (fт = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в cостав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы,относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению сосвободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростьюзаряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют,используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевыетранзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив токдифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случаеувеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость.Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны кнеустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634. Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициентусиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной токобычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путемусовершенствования каскадов усиления по напряжению или применениемтрехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию.Радикально уменьшить смещение нуля позволяе применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание).Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652,140УД24, МАХ430 (с прерыванием). Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют оченьмалый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток неболее 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычноневысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромиссмежду малым потреблением и низким быстродействием некоторые моделимикромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеетспециальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общейточкой или источником питания определенной полярности. Сопротивлениерезистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняютфункции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадовусилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействияОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату.Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потреблениядля микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ,как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18В при токе потребления 15 мкА.Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразноиспользовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволитпитать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевогоэлемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ соднополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала долженпростираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного кпотенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограниченснизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуютусилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигаюти верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход ивыход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы.Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В. Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющиена одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 иОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипныхусилителя. Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУрассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание отисточников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например,пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических ибиологических исследований. Поэтому промышленность производитвысоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходноенапряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющиеразность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых(монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтныхтранзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтомубольшинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в видегибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производитполупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальнымнапряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходнымтоком до 14 А. Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощнымобычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примеромполупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходнымтоком до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnologyвыпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 Аи способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостномохлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможнопутем использования режима класса D. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией начастоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПДусилителя достигает 98%.2. Основные параметры ОУ
Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:Коэффициент усиления напряжения Kуи - отношение изменения выходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению Kуи всех его каскадов. В настоящее время Kу некоторых усилителей по постоянному току превышает 3*106. Однако его значение уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции - внешних нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.
2. Частота единичного усиления f1 - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.
3. Максимальное выходное напряжение Uвых.макс - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот параметр измеряется + Uвых.макс относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2Uвых. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина Uвых.макс уменьшается.
4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых - отношение изменения Uвых от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10 .
5. Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр Uсм помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.
6. Входные токи Iвх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появление напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.
7. Разность входных токов . Входные токи могут отличаться друг от друга на 10…20% . Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.
Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:
8. Дрейф напряжения смещения DUсм
9. Дрейф разности входных токов DIвх.
10. Максимальное входное напряжение Uвх - напряжение, прикладываемое между входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.
11. Максимальное синфазное входное напряжение Uвх.сф - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины Uвх.сф , а в зарубежной - диапазон.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.
13. Выходной ток - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.
Часто вместо значения Iвых в документации приводят минимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин . Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом - ток короткого замыкания Iк.з равен 25 мА .
Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличения f1,VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения “паразитных” параметров Uсм, Iвх, DIвх и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств и наоборот.
Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на:
универсальные (общего применения), у которых Куu=103…105; f1=1.5…10 Мгц;
прецизионные (инструментальные) с Куu>0.5*106 и гарантированными малыми уровнями Uсм 0.5 мВ и его дрейфа;
быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых 20 В/мкс ;
регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот<1 мА .
В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, а также с учетом подключения внешних компонентов можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. На рис. 2а приведена модель инвертирующего включения ОУ. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой будем считать такую модель идеальной, что соответствует выполнению условийKu®Ґ и Ki®0 , где Ku и Ki - коэффициенты усиления по напряжению и току без обратной связи, а такжеRвх®Ґ и Rвых®Ґ . В этом случае коэффициент ОУ будет равен:
Знак “-“ в уравнении указывает на инвертирование фазы (полярности) выходного сигнала.
На рис. 2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУ идеальной, как и в предыдущем случае Ku®Ґ и Ki®Ґ , Rвх®Ґ и Rвых®0 , для данной схемы
В данном случае знак “-“ отсутствует, так как фаза (полярность) выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала.
Входное сопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратной связи велико:
,
где Rвх.м - собственное входное сопротивление микросхемы;
Ku - коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.
Выходное сопротивление реального неинвертирующего усилителя мало
,
где Rвых.м - собственное выходное сопротивление микросхемы
3. Схемы включения ОУ
Принципиальная схема разрабатываемого усилителя может быть выполнена с использованием дифференциальных микросхем следующих серий: К140, К153, К154, К544, К574 и др. Данные цепей частотной коррекции и цепей баланса взяты из справочной литературы по практическому применению микросхем.
Цепи частотной коррекции предотвращают самовозбуждения усилителя, а цепи баланса при большом коэффициенте усиления позволяют в отсутствии входного сигнала установить на выходе микросхемы напряжение равное нулю.
4. Применение операционных усилителей
В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ).
Заключение Спроектированный и рассчитанный выше усилитель удовлетворяет всем требованиям технического задания.Усилитель имеет коэффициент усиления около 70 дБ.Коэффициент нелинейных искажений порядка 7 %.Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, то нужно применять пространственные направляющие системы. При прослушивании человеческой речи за стенами, панелями, перегородками достаточно поместить микрофон в основание параболического рефлектора.Дистанционное звуковое прослушивание необходимо вести с помощью дистанционных направленных микрофонов, имеющих узкую диаграмму направленности.
Литература
1. АЛЕКСЕЕВ А.Г., ВОЙШВИЛЛО Г.В. Операционные усилители и их применение. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
2. БОЛТАЕВ А.В., ГАДЗИКОВСКИЙ В.И. и др. Усилительные устройства на интегральных микросхемах. - Свердловск, издание УПИ, 2001 г.
3. ГОЛОВИН О.В., КУБИЦКИЙ А.А. Электронные усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.
4. НОГИН В.Н. Аналоговые электронные устройства. - Москва, Радио и связь, 2001 г.
5. ОСТАПЕНКО Г. С. Усилительные устройства. - Москва, Радио и связь, 2003 г.
6. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией ТЕРПУГОВА Н.В. - Москва, Высшая школа, 1999 г.
7. ЦЫКИНА А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. - Москва, Связь, 2003 г.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. - Москва, Радио и связь, 2000 г.
9. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - Киев, Наукова думка, 2003 г.
www.yurii.ru
