Основные параметры оу

Параметры температурного дрейфа:

• Температурный дрейф напряжения смещения (ΔUсм, мкВ/°С)

• Температурный дрейф разности входного тока (ΔIвх, нА/°С)

Эксплуатационные параметры ОУ:

• Напряжение питания (±Uпит, В)

• Средний потребляемый ток (Iпот, мА)

• Потребляемая мощность (Pпот, мВт)

• Диапазон рабочих температур (от tmin до tmax, °С)

• Максимальные выходное и входное напряжения в линейном режиме

• Напряжение насыщения ОУ (Uнас, В)

• Максимальный выходной ток (Iпот, мА)

Классификация оу

1. Универсальные ОУ (широкого применения) Uсм = 5…25мВ; VU = 0,5…5В/мкс; Iн = 2…30мА

2. Прецизионные ОУ Uсм < 1мВ; A >100 000

3. Быстродействующие ОУ VU = 20…150В/мкс; tуст ≤ 1мкс; f1 ≥ 50МГц

4. Микромощные ОУ Iпот<1мА; Uпит = (±1,5…±3)В

5. Мощные и высоковольтные ОУ Iвых ≥ 100мА; Uвых ≥ 15В

6. Многоканальные ОУ

7. Компараторы

Основные компании-производители электронных компонентов:

Применение операционных усилителей

При анализе схем ОУ полагают идеальным, при этом используют допущения:

1. входное сопротивление ;

2. выходное сопротивление (т.е. на выходе ОУ действует идеальный источник напряжения с нулевым сопротивлением);

3. коэффициент усиления по напряжению ;

4. потенциалы входов ОУ одинаковы, т.е. ;

5. режим работы ОУ линейный (ОУ работает на линейном участке амплитудной характеристики);

6. синфазный сигнал не оказывает влияние на ОУ;

7. напряжение смещения .

9 лекция Операционный усилитель (часть 2) Применение ОУ. Неинвертирующий усилитель. Повторитель напряжения. Инвертирующий усилитель. Инвертирующий сумматор. Неинвертирующий сумматор. Дифференциальный усилитель. Интегратор. Дифференциатор

Применение операционных усилителей

При анализе схем ОУ полагают идеальным, при этом используют допущения:

1. входное сопротивление ;

2. выходное сопротивление (т.е. на выходе ОУ действует идеальный источник напряжения с нулевым сопротивлением);

3. коэффициент усиления по напряжению ;

4. потенциалы входов ОУ одинаковы, т.е. ;

5. режим работы ОУ линейный (ОУ работает на линейном участке амплитудной характеристики);

6. синфазный сигнал не оказывает влияние на ОУ;

7. напряжение смещения .

(1)

________________________________________________________________________________________________________

;

Неинвертирующий усилитель

По второму закону Кирхгофа:

,

. Т.к. , то

Т.к. , то , таким образом

По первому закону Кирхгофа:

«

“Неинвертирующий” означает, что фаза (полярность) выходного сигнала совпадает со входным. В схеме присутствует последовательная отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению.

Определим выражение для коэффициента усиления Ku в соответствии с выражением (1).

Со слайда до включительно.

Выразим данные напряжения Uвх и Uвых через сопротивления резисторов на схеме (см. на слайде).

_________________________________________________________________________________________________________

(3)

(2)

;

С учётом полученных выражений имеем (см. на слайде).

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением (2), где - собственное входное сопротивление ОУ, а – коэффициент усиления ОУ.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением (3), где - собственное выходное сопротивление ОУ.

­­­­­­­­­­­­­­­­­____________________________________________________________________________________________________________

Повторитель напряжения

Схема повторителя получается из предыдущей схемы при условии, что коэффициент усиления равен 1. Для этого необходимо, чтобы , а . Повторитель напряжения предназначен для согласования сопротивлений, т.е. в качестве буферного каскада.

Как правило, такие усилители применяются в тех случаях, когда целесообразно получить усиленный по мощности сигнал, не нагружая источник сигнала, например, какой-либо датчик. На выходе повторителя имеется сигнал идентичный входному и пригодный для дальнейшей обработки, например, преобразования или передачи.

_________________________________________________________________________________________________________

;

По второму закону Кирхгофа: ,

. Т.к. , то ;

Т.к. , то , таким образом

По первому закону Кирхгофа:

Инвертирующий усилитель

Данный усилитель обеспечивает фазу (полярность) выходного сигнала противоположную входному. В схеме действует параллельная (ООС) по напряжению.

Зададимся положительными полярностями напряжений на входе и выходе схемы. Исходя из физических соображений, зададим направления токов.

Составим уравнения по законам Кирхгофа (см. на слайде до ).

С учётом, что I2 = I1, получаем .

____________________________________________________________________________________________________________

(3)

(4)

Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением (4), т.е. входное сопротивление данного усилителя определяется резистором R1, однако оно меньше, чем Rвх_оу.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя определяется, как и в случае с неинвертирующим усилителем, в соответствии с выражением (3).

Видно, что параллельная ООС по напряжению уменьшает как входное сопротивление, так и выходное сопротивление усилителя.

_________________________________________________________________________________________________________

Найдём входные токи сумматора: , , , … ,

Ток обратной связи сумматора равен:

Инвертирующий сумматор

По первому закону Кирхгофа:

В последней формуле заменим токи на ранее полученные выражения:

Инвертирующий сумматор получается из схемы инвертирующего усилителя, подключением дополнительных входов. Данная схема осуществляет суммирование сигналов, поданных на входы.

Полагаем, что на входы поданы положительные относительно общей точки схемы напряжения. Зададимся положительной полярностью выходного напряжения. Исходя из физических соображений, зададим направления токов в схеме. Поскольку , потенциал инвертирующего входа равен нулю. Найдем входные токи сумматора (см. на слайде).

_________________________________________________________________________________________________________

Где – масштабные (весовые) коэффициенты.

Достоинства:

1. простота;

2. возможность суммировать сигналы с различными коэффициентами;

3. теоретическая неограниченность слагаемых.

Недостатки:

1. сумма получается проинвертированной;

2. для различных сигналов входные сопротивления различны;

3. количество слагаемых определяется нагрузочной способностью ОУ.

_________________________________________________________________________________________________

(5)

(10)

(9)

(8)

(6)

(7)

Дифференциальный усилитель на ОУ

Схему также называют вычитающий усилитель или усилитель с дифференциальным входом. В общем случае дифференциальный усилитель усиливает разность входных сигналов в соответствии с выражением (5).

Сначала рассмотрим без резистора R4 (т.е. R4→∞):

Пусть U2 = 0, тогда схема представляет собой инвертирующий усилитель и выходное напряжение определяется согласно выражению (6).

Пусть U1 = 0, тогда схема является неинвертирующим усилителем и выходное напряжение определяется в соответствии с выражением (7).

В итоге имеем выражение (8).

Теперь учтем резистор R4. Напряжение U2 прикладывается к неинвертирующему входу через делитель R2, R4 с коэффициентом деления в соответствии с выражением (9).

В итоге получаем выражение (10).

Резистор R4 можно сделать переменным и использовать для подстройки коэффициента усиления второго сигнала U2.

Достоинства:

1. простота;

2. получение наперёд заданного коэффициента усиления.

Недостатки:

1. в процессе работы коэффициент передачи менять нельзя;

2. разное по входам входное сопротивление.

_________________________________________________________________________________________________________

Интегратор

По первому закону Кирхгофа:

Т.к. , то , таким образом

В итоге:

Интегратор – устройство (или схема), сигнал на выходе которого в любой момент времени прямо пропорционален интегралу от входного сигнала. Т.е. оно предназначено для интегрирования аналоговых сигналов. Интеграторы широко применяются на практике, например в аналоговых решающих устройствах или генераторах пилообразного напряжения.

Где – постоянная времени.

_________________________________________________________________________________________________________

Интегратор

На слайде показано интегрирование постоянного сигнала (слева) и однополярных прямоугольных импульсов (справа). Интегрирование прочих типов сигнала будет продемонстрировано в рамках лабораторных работ.

_________________________________________________________________________________________________________

В итоге:

По второму закону Кирхгофа: ,

, т.к. , то ,

Т.к. , то , таким образом

По первому закону Кирхгофа:

Дифференциатор

Дифференциатор – устройство (или схема), выходное напряжение которого в любой момент времени прямо пропорционален производной от входного сигнала. Т.е. оно предназначено для дифференцирования аналоговых сигналов.

Где – постоянная времени.

_________________________________________________________________________________________________________