АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП. Назва «операційний підсилювач» (ОП) пов’язана з тим, що перші модифікації таких підсилювачів були розроблені і застосовувались виключно для виконання

Назва «операційний підсилювач» (ОП) пов’язана з тим, що перші модифікації таких підсилювачів були розроблені і застосовувались виключно для виконання математичних операцій в аналогових обчислювальних машинах.

Ідеальний ОП – це підсилювач з диференціальними входами, який повинен мати наступні властивостями: нескінченний коефіцієнт підсилення за напругою в нескінченно широкій смузі частот, зокрема амплітуда вихідного сигналу повинна залишатися сталою на будь-якій частоті; нескінченно великий вхідний і нульовий вихідний опори; рівність нулю вихідної напруги, при рівних напругах на входах. Крім того, підсилювач не повинен мати шумових і дрейфових похибок, що проявляються в заданому діапазоні температур протягом певного часу.

На практиці ні одна з цих властивостей не може бути досягнена повністю, однак до них можна наблизитися з достатньою для практичного застосування точністю. Тому, можна говорити тільки в доступній степені наближення параметрів ОП до ідеальних параметрів. З перерахованих властивостей можна вивести два дуже суттєві правила аналізу схем ввімкнення ОП:

· входи ідеального ОП не споживають енергії від кола джерела сигналу;

· напруга керування між входами ідеального ОП для будь-якій схемі ввімкнення дорівнює нулю.

В наш час ОП виконують, як правило, у вигляді монолітної інтегральної схеми. Структурна схема ОП наведена на рис.1 і переважно складається з таких каскадів:

· ДП – диференціальний каскад підсилення з емітерним зв’язком, який переважно працює при малих струмах і має малий коефіцієнт підсилення за напругою . Значення колекторного струму складає десятки мкА, що дозволяє забезпечити високий вхідний опір, покращити дрейфові і шумові параметри ОП;

· ПН – каскад підсилення напруги, переважно виконаний також за диференціальною схемою і працює при більших струмах колектора (сотні мкА – одиниці мА), що забезпечує більше значення коефіцієнта підсилення за напругою ;

· ПА – каскад підсилення амплітуди сигналу, який одночасно забезпечує зсув потенціалів між каскадами;

· ЕП – емітерний повторювач, який здійснює погодження ОП з низькоомним навантаженням.

Рис.1. Структурна схема ОП

На принципових електричних схемах ОП позначаються згідно рис.2.

Рис.2. Умовне позначення ОП

· W – диференціальні входи: інвертуючий (–) і неінвертуючий (+) (інвертуючий вхід часто позначається кружечком);

· m – вихід ОП;

· FC1, FC2 – входи частотної корекції;

· R1, R2 – входи балансування або входи встановлення нуля на виході ОП;

· + U, – U – різнополярні напруги живлення ОП;

· 0 V – спільна („земляна”) точка схеми ОП.

Як видно з рис.2 живлення ОП DА здійснюється від двох різнополярних джерел з однаковими абсолютними значеннями е.р.с. Е₁ і Е₂. До входів ОП прикладається вхідна напруга U_вх на фоні синфазної U_сф. При цьому ОП підсилює лише U_вх.

При подачі на неінвертуючий вхід нульового потенціалу, підсилювач є інвертуючим – вхідна і вихідна його напруги при цьому мають різні знаки (у випадку гармонійного сигналу вхідна і вихідна напруги знаходяться у протифазі).

При подачі нульового потенціалу на інвертуючий вхід, підсилювач стає неінвертуючим – знаки вхідної і вихідної напруг співпадають (у випадку гармонійного сигналу – вхідна і вихідна напруги синфазні).

Розглянемо деякі типові аналогові пристрої, виконані на ОП.

При аналізі роботи цих пристроїв будемо вважати ОП за ідеальний, тобто:

1) К_U = ¥ (реально – десятки і сотні тисяч);

2) R_вх = ¥ за кожним входом (реально – сотні кілоом);

3) R_вих = 0 (реально – менш за 100 Ом).

При цьому будемо враховувати, що у ідеального ОП, якщо він працює у лінійному режимі (на пологій частині передатної характеристики), потенціали обох входів однакові. Тобто його U_вх = 0.

Отже, маємо: у лінійному режимі ОП так керує зовнішнім НЗЗ, що напруга між його входами дорівнює нулю.

Реально ця напруга трохи відрізняється від нуля, бо К_U все ж таки менший за безкінечність. Однак для багатьох застосувань сучасні ОП можна вважати за ідеальні. При цьому похибки, зумовлені неврахуванням реальних параметрів, складають долі відсотка.

1) Інвертуючий підсилювач.

Рис. 3 - Інвертуючий підсилювач на ОП

Інвертуючий підсилювач, схема якого наведена на рис.3 (джерела живлення тут не показані), змінює знак вихідної напруги відносно вхідної.

У ОП, охопленого НЗЗ, у лінійному (підсилювальному) режимі різницю напруг між входами вважаємо рівною нулю: U₀ = 0. Виходячи з цього, потенціал інвертуючого входу (точка а) дорівнює потенціалу неінвертуючого, підімкненого до нульової точки.

Коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача

(1)

2) Неінвертуючий підсилювач.

Рис. 4 - Неінвертуючий підсилювач на ОП

Схема неінвертуючого підсилювача наведена на рис. 4.

Виходячи з викладених вище міркувань, при U₀ = 0 напруга, що прикладена до R₁, дорівнює U_{вх ..}

Коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача на ОП

(2)

Якщо задати R_ЗЗ = 0, а R₁ = ¥, то одержимо повторювач напруги – рис. 5. Він має великий вхідний опір і малий вихідний і використовується для узгодження джерел сигналу, що мають великий опір з низькоомними навантаженнями.

Рис. 5. Повторювач напруги

3) Диференційний підсилювач.

Рис. 6. - Диференційний підсилювач

Схема диференційного підсилювача наведена на рис. 6. Як видно з схеми включення вхідний сигнал подається зразу на два входи, тобто це ніби суміщення двох підсилювачів інвертую чого і неінвертуючого.

Якщо у цій схемі прийняти, що U_вх1 = 0 (тобто припустимо, що верхній вхід під’єднано до точки „^”), схема зводиться до неінвертуючого підсилювача (див. рис.4.).

Якщо тепер прийняти U_вх2 = 0 (до точки „^” під’єднано нижній вхід підсилювача), то схема зводиться до інвертуючого підсилювача (див. рис. 3).

Така схема включення має властивість значно послаблювати синфазний сигнал, тобто усувати паразитичний сигнал наведення.

4) Суматор.

5) Інтегратор.

Схема інтегратора на ОП наведена на рис. 8. Як видно, вона відрізняється від схеми інвертуючого підсилювача, (див. рис.3) тим, що замість R_ЗЗ ввімкнено конденсатор С.

Рис. 8 –Інтегратор

Оскільки конденсатор ввімкнено між виходом ОП і точкою а, що має нульовий потенціал, то конденсатор заряджається струмом постійного значення, і напруга на ньому змінюється лінійно:

. (3)

Це є рівняння прямої, що починається з нуля.

Отже у даному разі на виході інтегратора маємо напругу, що лінійно змінюється. Така його властивість використовується в генераторах пилкоподібної напруги.

6) Диференціатор.

Рис. 9 - Диференціатор

Схема диференціатора наведена на рис. 9.

Відомо, що

(3.23)

Якщо вхідна напруга диференціатора змінюється лінійно вихідна напруга матиме постійне значення.

На закінчення зазначимо, що, при роботі підсилювачів на ОП у лінійному режимі і за наявності глибокого НЗЗ, ОП за своїми параметрами істотно наближається до ідеального, бо різко зростає його вхідний опір і зменшується вихідний.

Перше, наприклад, пояснюється тим, що через малу різницю потенціалів між входами (U₀ ® 0) незначні і вхідні струми.

Розглянуті схеми на ОП є основою для побудови найрізноманітніших пристроїв аналогової техніки: підсилювачів, суматорів, активних фільтрів, генераторів і т.п.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 445 | Нарушение авторских прав