Описание электрической цепи заряд, ток, напряжение, мощность, энергия Электрическим зарядом
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
8. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 8.1. Операционный усилитель Операционный усилитель (ОУ), схемотехническое изображение которого показано на рис. 8.1, обеспечивает выполнение операции вида  , (8.1)где  - выходное напряжение ОУ, - напряжение на его инвертирующем, а  - на не инвертирующем входах, - коэффициент усиления ОУ, - двухполярное напряжение питания ОУ (обычно от В до  В). Рис. 8.1 Для ОУ характерно высокое (для идеального ОУ - бесконечное) значение коэффициента усиления , высокое входное и низкое выходное сопротивления. Для ОУ характерна высокая универсальность применения для реализации различных устройств обработки сигналов благодаря выражению (8.1), что позволяет технически просто использовать различные варианты обратных связей. Обратная связь в усилителе – это подача части выходного сигнала на вход усилителя, где она складывается с входным сигналом. Примером отечественного ОУ является интегральная схема КР544УД2А, типовая схема включения которой с внешними корректирующими элементами показана на рис. 8.2а, а вид корпуса – на рис. 8.2б. Двухполярное напряжение питания лежит в пределах от 8 В до 16,5 В, низкочастотный коэффициент усиления составляет 96 дБ (более 105), входной ток менее 10 нА (очень мал) а входное сопротивление более 100 МОм (огромно), полоса усиливаемых частот 15 МГц. Пример полного технического описания приведен в приложении 2.  Рис. 8.2 Выпускаются интегральные схемы, содержащие два и четыре ОУ в одном корпусе. Примером может служить интегральная схема К157УД2, схема включения которой с корректирующими емкостями приведена на рис. 8.3а, а на рис. 8.3б показан ее внешний вид. Общее для двух ОУ двухполярное напряжение питания лежит в пределах от 3 В до 18 В, коэффициент усиления на низких частотах равен 82 дБ, входной ток не более 500 нА а сопротивление более 40 МОм, полоса усиливаемых частот 1 МГц. Корректирующие емкости для ОУ на рис. 8.2а и рис. 8.3а выбираются равными 33-47 пФ.  Рис. 8.3 Необходимо иметь в виду, что очень высокое входное сопротивление (сотни кОм и выше) можно реализовать только на постоянном токе и весьма низких частотах. С увеличением частоты входное сопротивление падает за счет шунтирующего действия входной паразитной емкости (единицы – десятки пФ). Резкое падение входного сопротивления начинается на частотах 1 кГц. На частотах выше 1 МГц обычно используют типовые требования к входным сопротивлениям и нагрузкам, которые выбираются равными 75 Ом или 50 Ом с необходимыми цепями согласования. Упрощенный расчет электронных устройств на базе ОУ обычно проводится в предположении его идеальности: бесконечности коэффициента усиления и входного сопротивления, и для нулевого выходного сопротивления. 8.2. Усилители сигналов на базе ОУ Для построения усилителей на базе ОУ используются две основных схемы: с не инвертирующим (рис. 8.4а) и инвертирующим (рис. 8.4б) включением (напряжения питания микросхем обычно не показывается, так как используется типовое его подключение на рис. (8.2 и рис. 8.3).  Рис. 8.4 Резисторы и (цепь отрицательной обратной связи) обеспечивают передачу на инвертирующий (отрицательный) вход усилителя части выходного сигнала, образуя резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи  .Определим коэффициент усиления не инвертирующего каскада на идеальном ОУ (рис. 8.4а). При конечном выходном напряжении и бесконечном коэффициенте усиления идеального ОУ согласно (8.1) разность напряжений  . (8.2)При бесконечном входном сопротивлении ОУ напряжение делителя напряжения  равно , (8.3)а при нулевом токе через резистор  , (8.4)тогда с учетом (8.2) получим  . (8.5)В результате из (8.5) коэффициент усиления каскада на рис. 8.4а равен  . (8.6)При  (все выходное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ, обеспечивая 100% отрицательную обратную связь) из (8.6) получим  . Полученное называют повторителем напряжения.Аналогично для инвертирующего усилителя на рис. 8.4б  . (8.7)Входное сопротивление не инвертирующего усилителя на рис. 8.4а равно  , (8.8)где  входное сопротивление не инвертирующего входа самого ОУ (для идеального ОУ оно бесконечно), - коэффициент усиления ОУ. При  получим  , то есть не инвертирующий усилитель на низких частотах обладает огромным входным сопротивлением.Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно  . (8.9)Расчет схем на рис. 8.4 проводится по заданному коэффициенту усиления и выбранному сопротивлению  с учетом получающейся величины . На низких частотах выбирают величину , равную единицам – десяткам кОм. Выбрав , из (8.2) или (8.3) находим . Если при выбранном получаем слишком большое  МОм, то целесообразно уменьшить .Пусть необходимо обеспечить  . Выберем ОУ 157УД2 и  кОм (типичное значение), тогда для не инвертирующего усилителя (рис. 8.4а) из (8.6) следует кОм.Для инвертирующего усилителя из (8.7) получим  кОм.Модели усилителей на ОУ в программе MicroCAP показаны на рис. 8.5. На рис. 8.6 показана полученная в результате моделирования АЧХ не инвертирующего усилителя (рис. 8.5а), а на рис. 8.7 - инвертирующего усилителя (рис. 8.5б). Как видно, оба усилителя обеспечивают заданный коэффициент усиления на частотах до нескольких десятков кГц, что обусловлено свойствами ОУ.  Рис. 8.5  Рис. 8.6  Рис. 8.7 Как видно из (8.6) и (8.7), коэффициент усиления определяется только сопротивлениями резисторов в цепи обратной связи ОУ, что при использовании прецизионных (с высокой точностью значений сопротивлений) резисторов позволяет изготавливать усилители с точными заданными коэффициентами усиления, например, для измерительных приборов. На базе ОУ реализуются различные устройства обработки сигналов (сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы и др.). 8.3. Прецизионный выпрямитель Одним из устройств на базе ОУ является прецизионный выпрямитель, схема которого показана на рис. 8.8 На схемах с ОУ цепи питания не показывают, так как они заданы его техническим описанием в справочнике.  Рис. 8.8 Входное напряжение  с амплитудой 10 мВ подается на неинвертирующий вход ОУ (его временная диаграмма показана в левой части рис. 8.8), а временные диаграммы выходных сигналов  и  – в его правой части. Как видно, устройство обеспечивает практически идеальное выпрямление входного напряжения, в отличии от ранее рассмотренных простых диодных выпрямителей, и усиление сигнала с коэффициентом 100. Подобные выпрямители целесообразно использовать в вольтметрах переменного напряжения. |