книги / Применение аналоговых микросхем

гает максимального значения на частоте fT. Если частота полюса этой цепи меньше fTî то на пере­ даточной характеристике ОУ появляется дополнительный по­ люс. В зависимости от емкости Сц снижает запас по фазе илр'. приводит к самовозбуждению ОУ. В этом случае для уменьшения действия Си в ОУ с внешней кор­ рекцией обычно достаточно уве­ личить емкость корректирующих

конденсаторов. Для ОУ с внутренней коррекцией необходимо либо вводить дополнительные цепи коррекции, либо подбирать

усилитель с малым RBых> либо использовать на выходе ОУ со-. гласующий повторитель. В любом случае частота полюса, обус-. ловленного действием цепи CHi?Bых, смещается выше частоты fr.

Подключение цепи коррекции, устраняющей влияние Сн на устойчивость работы ОУ, показано на рис. 2.9. В этой схеме по-, люс амплитудно-частотной характеристики, обусловленный CHt

появляется на более низкой частоте fn== 1 / [2лСы (RBUX+RZ)]- Однако его действие компенсируется нулем передаточной харак-. теристики, который появится на частоте f „ = 1/2зтС2/?2- При /п=/н влияние Сн на устойчивость работы ОУ исключается.

2.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Аналоговая функциональная система любой сложности может быть построена из ряда простых функционала иых блоков, к которым относятся инвертирующий, неинвертирующий и дифференциальный усилители, интеграторы, дифференциа-. торы, суммирующие усилители, активные фильтры и др.

2.2.1. ИНВЕРТИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Инвертирующий усилитель использует параллельную обрат­ ную связь по напряжению с выхода на инвертирующий вход ОУ (рис. 2.10). Неинвертирующий вход ОУ может быть заземлен не­ посредственно или через резистор с сопротивлением RZ= R I\\R2- Формулы для расчета усилителя этого типа приведены в табл. П2.3.

Этот усилитель использует параллельную обратную связь по напряжению с выхода на неинвертирующий вход ОУ, но входной сигнал подается на неинвертирующий вход (рис. 2.11). Основные формулы для расчета неинвертирующего усилителя приведены в табл. П2.4. Для минимизации ошибки из-за протекания входных

жению ОУ без обратной связи; Кис— коэффициент передачи син­ фазных сигналов ОУ.

Основные формулы, необходимые при проектировании диффе­ ренциального усилителя, приведены в табл. П2.5.

Коэффициент ослабления синфазных сигналов, рассчитывае­ мый исходя из максимальных разбросов использованных резисто­ ров, определяется по формуле

Коэффициент ослабления синфазных сигналов в таком усили­ теле при Ки= 10 и применении резисторов с относительным раз­ бросом сопротивлений 1% не менее 35 дБ, а при применении резисторов с разбросом 0,1% /Сосс^55 дБ. Если необходимы большие значения Косс, то следует использовать более сложные схемы дифференциальных усилителей (см. § 2.3.1).

2.2.4. СУММИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

Суммирующий усилитель, допускающий подключение сигналов к обоим входам ОУ, показан на рис. 2.13. Его выходное напряжение Uвых= А1U\-f-А2 U2 ~j~AzUз-f-Л4U4Н“Л5Us-J-Л6U$.

Коэффициенты передачи сигналов, подаваемых на инвертиру­ ющий вход

Ai = £ /вы х/£ Л = — Roc/Rir

Aÿ= Uвых/t^2= — Roc/R29

Лз=£^вых/£^з= —Roc/ Rz•

Коэффициенты передачи сигналов, подаваемых на неинверти­ рующий вход при Uе= 0

A i= С/вых/ [Roi (Kc"t"^?4)] (1~\~RflRx)> Аъ= UBhtx/Us = [Rd/ (RD+R* ) ] ( 1 +Rf/Rx),

где Кс= К5||Кб||Кн, К х=К 1||/?2||Кз11Ки, ^?0 = /?4|[/?б11^н> Rf— = R 4 \\RS\\RS\\RH.

2.2.5. ИНТЕГРАТОРЫ

Напряжение на выходе интегратора прямо пропорционально интегралу от входного напряжения. Схема инвертирующего ин­ тегратора приведена на рис. 2.14,а. Для выходного напряжения справедливо выражение

Рис. 2.14. Схема инвертирующего интегратора (а) и его частотная характери­ стика (б)

В этом выражении U0= U Bbix{t— 0) — исходное выходное напря­ жение интегратора. Для сравнения на рис. 2.14,6 приведены ам­ плитудно-частотные характеристики интегратора и ОУ без обрат­ ной связи с одним полюсом.

Для построения прецизионных интеграторов, допускающих получение на выходе произвольных значений исходного выходно­ го напряжения, можно воспользоваться схемой интегратора, пока­ занной на рис. 2.15. Интегратор может работать в трех режимах:

замкнут, интегратор преобразуется в инвертирующий усилитель, выходное напряжение которого UBb,x= — UBX\R3/R2. Когда S / замкнут, a S2 разомкнут, осуществляется интегрирование вход­

ного напряжения UBx2, тогда UBblx= (1/1?,С)]" UBX2dt-\-UBX\R%IR2.

И, наконец, когда размыкаются оба переключателя S1 и S2, осу­ ществляется хранение на конденсаторе С результата интегриро­ вания.

Интеграторы широко применяются не только в аналоговых системах, но и для выполнения вспомогательных функций пред­

Шумы относятся к самым сложным и трудноуправляемым яв­ лениям, и можно считать, что достижимое уменьшение уровня шу­ мов демонстрирует инженерное мастерство разработчика элект­ ронной аппаратуры, подобно тому как относительный уровень собственных шумов ОУ характеризует совершенство технологии их производства.

Снижение виляния шумов ОУ требует не только применения специальных малошумящих приборов, но и знания характера шу­ мовых процессов, так как уровень шумов ОУ сильно зависит от сопротивления источника сигнала, частоты, напряжения, входно­ го тока, температуры.

В ОУ, как и в любом другом электронном приборе, генериру­ ются внутренние электрические шумы, которые, в отличие от раз­ личного рода помех и наводок, не могут быть устранены полно­ стью. Шумы возникают вследствие теплового движения электро­ нов и дискретной природы электричества; они отличаются полным отсутствием регулярности во времени, т. е. являются хаотически­ ми. Однако средняя мощность шумов и средняя плотность рас­ пределения мощности по спектру частот (спектральная плот­ ность) обычно являются вполне определенными величинами.

При проектировании усилителей низких частот одним из наи­ более важных параметров ОУ является приведенное ко входу значение шумового напряжения. В общем случае шумовые свой­ ства ОУ могут быть отображены входными генераторами напря­ жения «ш и тока 1'ш (рис. 2.17), действие которых эквивалентно ЭДС шума

Цщ э — у/Чт ~Ь Яг,

где Rr— внутреннее сопротивление источника сигналов.

Среднее квадратическое значение приведенного ко входу уси­ лителя шумового напряжения ивхш в единичной полосе частот

чтш = ]/" Ыш + гш + 4А77?Г,

где последнее слагаемое представляет собой спектральную плот­ ность теплового шума резистора Rr; k — постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Втехнических условиях на большинство ОУ отсутствуют све­

Рис. 2.18. Типовые зависимости напряжения шума (а) и тока шума (б) в неко­ торых ОУ

вых параметров некоторых ОУ от частоты и сопротивления Rrпри­ ведены на рис. 2Л8. Номиналы резистора Rr, при которых изме­ рялся шумовой токОУ, были выбраны 100 кОмдля ОУ К140УД1, К153УДЗ и К140УД7 и 1 МОм для К140УД14 и К153УД5. Пара­ метры внешних цепей коррекции в ОУ К140УД1, К153УДЗ и К153УД5 подбирались таким образом, чтобы коэффициент уси­ ления схемы оставался постоянным — равным 10 по крайней мере до частоты 100 кГц. Из рисунков видно, что зависимости шумовых напряжения и тока от частоты практически одинаковы и отлича­ ются лишь значением. Низкочастотный шум типа 1// преоблада­ ет у всех ОУ в области частот до 1 кГц.

На рис. 2.19 приведена эквивалентная схема для расчета вы­ ходного напряжения шума в неинвертирующем усилителе. Квад­ рат напряжения шума, приведенного ко входу такого усилителя, определяется из выражения

Экспериментальные исследования показали, что шумовые ха­ рактеристики ОУ практически не зависят от напряжения источ­ ника питания Un. Так, при изменении Un от ±5 до ±20 В значе­ ния иш и im всех типов ОУ на любой частоте отличаются от при­ веденных не более чем на 20%. Это можно объяснить тем, что ток, задаваемый внутренними генераторами тока во входные кас­ кады усилителей, мало изменяется с изменением питающего на­ пряжения, а величина этого тока в значительной мере определяет уровень шумов напряжений и токов усилителя. На рис. 2.21, на­ пример, приведены зависимости Р ш от сопротивления Rr для ОУ К153УД5.

2.2.8. КАСКАДНЫЕ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОУ

Операционные усилители можно соединять последовательно и параллельно, что является основой для реализации сложных функциональных блоков (см. § 2.3).

Параллельное соединение ОУ можно использовать только для ОУ, у которых между параллельно соединенными выводами не протекает ток, т. е. для ОУ с очень малыми значениями напря­ жения смещения нуля (К140УД23). Последовательное включение

Рис. 2.23. Мостовая схема параллельного соединения ОУ

включении

соединении уменьшается в и2 раз. Таким образом, параллельным соединением п ОУ можно уменьшить сопротивление нагрузки до величины RJn, не нарушая режимов работы ОУ. При этом умень­ шается в п раз и оптимальное сопротивление RTопт, обеспечиваю­ щее минимальное напряжение шума на выходе ОУ.

Параллельное соединение ОУ оказывается особенно эффек­ тивным, когда нагрузка подключается к выходам ОУ через транс­ форматор. В этом случае уменьшается в п раз собственное вы­ ходное сопротивление ОУ, что способствует снижению в транс­

ностью каскадного включения ОУ, где они действуют параллель­ но на общую нагрузку (рис. 2.23). Усилитель А1 является неин­

выходами ОУ, амплитудное изменение напряжения на нем удваи­

2.3. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

В этом параграфе приведены некоторые при­ меры применения ОУ в различного рода прецизионных изме­ рительных усилителях с симметричными дифференциальными входом и выходом, с возможностью электронного переключения усиления, схемы корректоров и активных /?С-фильтров, схемы за­ мещения реактивных элементов и некоторые схемы генераторов сигналов.

2.3.1. УСИЛИТЕЛИ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВХОДОМ

Простейшая схема дифференциального усилителя на одном ОУ была проанализирована в § 2.2 (см. рис. 2.12). Ее недостаток состоит в том, что только при использовании четырех прецизион­ ных резисторов обеспечивается высокое значение коэффициента ослабления синфазных сигналов. Когда необходимо использовать дифференциальный вход и иметь возможность регулировки уси­ ления по напряжению без применения вспомогательного ОУ, це­ лесообразно использовать дифференциальный усилитель с регули­ ровкой усиления (рис. 2.24).