Рефераты. Операционные усилители






Iвых= BIвх/(B+2) Iвх

1.5. Стандартная схема операционного усилителя

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать

значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен

дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме.

Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ А741 (полная схема

включает 24 транзистора) приведена на рис. 10.

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p

транзисторах VТ1 и VТ2. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на

n-p-n транзисторах VТ3 и VТ4. Для выходного тока входного каскада,

следовательно, можно записать следующее соотношение:

Iд= Iк2 -Iк1

[pic]

Рис. 10. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ А741

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является

разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов

взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные

сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе VТ9. В некоторых ОУ

(например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем

его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им

программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности,

потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе

VТ6. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе VТ10. Для

повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен

эмиттерный повторитель на транзисторе VТ5. Конденсатор Ск обеспечивает

операционному усилителю частотную характеристику вида, приведенного на рис.

3.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный

повторитель на транзисторах VТ7, VТ8. Напряжение на участке цепи из двух

последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает

малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что

позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает

симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного

напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого

замыкания выхода.

1.6. Схема замещения операционного усилителя

При построении высокоточных схем на ОУ необходимо учитывать влияние

неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно

представить усилитель схемой замещения, содержащей существенные элементы

неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений

сигналов представлена на рис. 11.

У ОУ с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для

дифференциального сигнала rд составляет несколько мегаом, а входное

сопротивление для синфазного сигнала rвх несколько гигаом. Входные токи,

определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких

наноампер. Существенно бoльшие значения имеют постоянные токи, протекающие

через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов

дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в

пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами,

выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли наноампер.

[pic]

Рис. 11. Схема замещения реального операционного усилителя для малых

сигналов

Для иллюстрации влияния собственных сопротивлений усилителя на

характеристики схемы на ОУ рассмотрим схему неинвертирующего усилителя,

изображенного на рис.12.

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению rд приложено очень малое

напряжение

Uд = Uвых/KU = U1/(1+KU),

Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный

U1/rд(1+KU). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря

действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+KU. Согласно рис. 12,

для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

Rвх= rд(1+KU)||rвх

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами

на входах превышает 109 Ом. Следует однако помнить, что речь идет

исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения

входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может

принимать несравненно бoльшие значения.

[pic]

Рис. 12. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных

сопротивлений ОУ

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении

выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет rвых

порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением

отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения

схемы, вызванное падением напряжения на rвых при подключении нагрузки,

передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R1, R2.

Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует

изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной

связью, определяется выражением:

[pic]

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на

рис. 12, эта формула принимает вид:

|[pic]. |(12) |

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина Uд не

остается постоянной, а изменяется на величину

dUд= - dUn = -dUвых (13)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного

напряжения составляет

dUвых=KUdUд - rвых dIвых

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в

данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину

dUд из (13) с учетом (12), получим искомый результат:

[pic]

Если, например, В =0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10

раз, а KU=105 , то выходное сопротивление усилителя А741 снизится с 1 кОм

до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы

пропускания усилителя fп, которая для А741 составляет всего только 10 Гц.

На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет

увеличиваться, т.к. величина |KU| с ростом частоты будет уменьшаться со

скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный

характер и на частотах более fт становится равным величине выходного

сопротивления усилителя без обратной связи.

1.7. Коррекция частотной характеристики

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры

операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру

нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой

коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости,

проявляющейся в том, что даже при отсутствии сигнала на входе системы, на

ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость

ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам.

Типичные логарифмические асимптотическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и

фазово-частотная (ЛФЧХ) характеристики (диаграмма Боде) ОУ без частотной

коррекции приведены на рис. 13.

[pic]

Рис. 13. Типичные логарифмические амплитудно-частотная и фазово-

частотная характеристики ОУ

Выше частоты f1 частотная характеристика определяется инерционным звеном

с максимальной постоянной времени. Коэффициент усиления в этой области

убывает со скоростью -20 дБ/дек. Выше частоты f2 начинает действовать

второе инерционное звено, коэффициент усиления убывает быстрее (-40

дБ/дек), а фазовый сдвиг между Uд и Uвых достигает -180°. Частота, при

которой выполняется это условие, называется критической fкр. Частота, при

которой модуль коэффициента усиления петли обратной связи (коэффициента

петлевого усиления) |Kп| = |KU|=1, называется частотой среза fср.

Коэффициент в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи

обратной связи. Как для инвертирующего, так и для неинвертирующего

включения ОУ при резистивной обратной связи он определяется как

K = R1/(R1+R2)

Согласно выражениям (8), (9), между и коэффициентом усиления входного

сигнала схемы на ОУ K существует следующая взаимосвязь:

|[pic] |для инвертирующего включения |(14) |

| |для неинвертирующего включения. | |

В соответствии с логарифмическим вариантом критерия Найквиста для

минимально-фазовых систем, к которым можно отнести ОУ с отрицательной

обратной связью, усилитель будет устойчив, если для логарифмических

частотных характеристик разомкнутой петли обратной связи KU выполнено

условие:

fср< fкр (15)

При резистивной обратной связи ЛФЧХ петли совпадает с ЛФЧХ усилителя, а

ЛАЧХ петли проходит на 20lgниже ЛАЧХ усилителя, так что частота среза fср

соответствует точке пересечения графика ЛАЧХ усилителя с горизонтальной

прямой, проведенной на 20lgвыше оси частот. На диаграмме рис. 13 видно, что

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.