Раздел 4. Операционные усилители

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой высококачествен­ный усилитель постоянного тока, применяемый для реализации различ­ных функциональных операций таких, как сложение, вычитание, деление, логарифмирование, дифференцирование и другие. Благодаря интегральной технологии стало возможным изготовление ОУ, близкого по своим свойствам к идеальному. Такой усилитель имеет большой коэффициент усиления до 105, большое входное сопротивление до 106 Ом, малое выходное сопротивление порядка 100-200 Ом, малые собственные шумы и дрейф нуля. В настоящее время на основе интегральных ОУ выполняются генераторы синусоидальных и импульсных колебаний, источники опорных напряжений, избирательные фильтры, блоки сравнения и многие другие устройства.

В целом ОУ можно представить в виде трёх последовательно соеди­нённых каскадов (рис.7.1).

Входным каскадом является дифференциальный усилитель ДУ, кото­рый работает в режиме микротоков, имеет малый дрейф нуля, высокое входное сопротивление и небольшой коэффициент усилений по напряжению порядка 10.

Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения УН. Обычно он имеет коэффициент усиления по напряжению более 100 и малый дрейф нуля, что достигается благодаря использованию балансной схемы усилителя постоянного тока.

Оконечный каскад ОУ является усилителем мощности УМ. Он имеет коэффициент усиления по напряжению в пределах 5-50, малое выход­ное сопротивление и обеспечивает передачу в нагрузку максимальной мощности.

Дифференциальный усилитель имеет два входа: инвертирующий (вход 1) и не инвертирующий (вход 2). При поступлении входного синусоидально­го напряжения на инвертирующий вход с выхода ОУ будет сниматься усиленный сигнал противоположной полярности, т.е. инвертированный относительно входного. Напряжения на не инвертирующем входе и выхо­де ОУ совпадают по фазе. Для удобства чтения электрических схем инвертирующий вход обозначается знаком минус, а не инвертирующий - знаком плюс.

В принципе входные сигналы могут поступать одновременно на оба входа усилителя. В этом случае выходное напряжение будет пропорци­онально разности входных сигналов, т.е. усилитель с дифференциаль­ным входом может использоваться как устройство для вычитания сигна­лов.

Схема включения дифференциального ОУ приведена на рис.7.2.

Здесь Uвх1 и Uвх2 - входные сигналы на инвертирующем и не инвертирующем входах; Rн - сопротивление нагрузки; Е1 и Е2 -источники питания.

В тех случаях, когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход (Uвх2 = 0), амплитудная характеристика усилителя имеет вид кривой I (рис.7.3). С увеличением входного напряжения от - Uвхm до Uвхm выходное напряжение изменяется пропорционально входному.

При превышении входным напряжением величины ± Uвхm происходит насыщение усилителя и выходное напряжение перестаёт изменять­ся. Вследствие большого коэффициента усиления ОУ величина Uвхm обычно не превышает единиц милливольт.

При наличии сигнала на не инвертирующем входе (Uвхm =0) полу­чаем амплитудную характеристику в виде кривой 2.

Симметричный вид амплитудной характеристики относительно нача­ла координат, т.е. возможность работы усилителя как при положитель­ных, так и при отрицательных входных напряжениях, обеспечивается ис­пользованием двух разнополярных, равных по величине источников пи­тания Е1 и Е2.

Подключая между входами и выходом усилителя соответствующие це­пи обратной связи, можно получить устройства с различными функцио­нальными возможностями. Рассмотрим некоторые из них.

Инвертирующий усилитель

Одним из наиболее распространённых устройств на ОУ является инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рис.7.4.

Входное напряжение подаётся на инвертирующий вход через резистор R1, определяющий величину входного сопротивления. Резистор R2 обеспечивает в усилителе отрицательную обратную связь.

Ток, протекающий через инвертирующий вход ОУ, примерно равен нулю из-за большого входного сопротивления, а напряжение на вхо­де ненасыщенного ОУ близко к нулю из-за большого коэффициента усиления.

С учётом этого можно считать, что напряжение на резисторе R2 примерно равно выходному напряжению 0У Uвых, а входной ток I₁= - I₂ ≈ , тогда

Uвых≈ = =-Uвх , (7.1)

а коэффициент усиления инвертирующего усилителя

(7.2.)

Коэффициент усиления К полностью определяется величинами резисторов R1, R2 и не зависит от напряжений источников пита­ния Е1, Е2, коэффициента усиления 0У и других факторов, ко­торые могут изменяться в процессе работы устройства. Следователь­но, рассматриваемый инвертирующий усилитель обладает высокой ста­бильностью коэффициента усиления. Подбирая необходимую величину сопротивления резистора R2 при заданном сопротивлении R1, можно обеспечить требуемый коэффициент усиления. Обычно этот коэф­фициент усиления не превышает ста и должен быть много меньше коэф­фициента усиления ОУ. Только в этом случае достигается устойчивая и стабильная работа устройства, а принятые допущения и выражения (7.1)-(7.2) будут справедливы.

Интегратор

Интегратор представляет собой устройство, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный интегралу oт входного напряжения. Для этого в цепь отрицательной обратной связи включают кон­денсатор С, а входной сигнал подают на инвертирующий вход через резистор R (рис.7.5).

С учётом принятых для инвертирующего усилителя допущений напряжение на выходе интегратора

, (7.3)

где U_С - напряжение на конденсаторе обратной связи; i_С -ток конденсатора.

Подставляя в (3) величину тока i_С=- имеем

. (7.4)

Таким образом, выходное напряжение устройства определяется интегралом от входного напряжения и произведением τu=RC, которое называют постоянной времени интегратора. С увеличением постоянной времени интегратора уменьшается погрешность интегрирования и уменьшается величина выходного напряжения.

При входном напряжении, имеющем форму прямоугольных импульсов с длительностью τu положительной полярности и такой же дли­тельности отрицательной полярности (рис.7.6), выходное напряжение будет изменяться по линейному закону согласно выражению

Uвых=- (7.5)

Изменяя величину резистора R, можно регулировать амплитуду Uвыхm выходного пилообразного напряжения. На рис.7.6 кривая I получена при меньших значениях резистора R, а кривая 2 - при больших.

Постоянная времени интегратора ограничивает длительность вход­ного импульса. Для нормальной работы интегратора необходимо, что­бы за время τu конденсатор заряжался до напряжения, меньшего напряжения насыщения 0У. Из выражения (7.5) можно получить мини­мально допустимую величину постоянной времени интегратора.

t_и > (7.6)

 

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ. 1

§1. Краткие сведения по квантовой механике. 2

§2. Уравнение Шредингера. 7

§3. Энергетические состояния электронов в водородоподобных системах 9

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.. 13

1.1. Полупроводники. 13

Энергетические (зонные) диаграммы полупроводников. 13

Уровень Ферми. 14

Физические процессы в полупроводниках. 15

Беспримесный полупроводник. 15

Процесс генерации пар зарядов. 16

Примеси в полупроводниках. 18

Электронный полупроводник (n-типа) 18

Дырочный полупроводник (р-типа). 19

1.2 Типы рекомбинации. 21

1.3. Электронно-дырочный переход. 23

§1. Классификация. Методы изготовления. 23

§2. Свойства р-n-перехода. 24

Р-n-переход при прямом включении. 26

P-n-переход при обратном включении. 28

Учет дополнительных факторов, влияющих на вольт-амперную характеристику диода. Пробой. 29

Импульсные свойства р-n перехода. (динамические процессы в р-n-переходе) 30

РАЗДЕЛ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.. 36

2.1. Полупроводниковые диоды.. 36

§ 1. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ. 36

§2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ. 38

§ 3. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ. 39

§ 4. СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДИОДЫ. 40

§ 5. СТАБИЛИТРОНЫ. 41

§ 6. ВАРИКАПЫ. 43

§ 8. ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ. 43

§ 8. СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ. 44

§ 9. РАБОЧИЙ РЕЖИМ ДИОДА. 44

2.2. Биполярные транзисторы.. 46

§ 1. Общие сведения. Устройство. 46

§ 2. Физические процессы, протекающие в VT. Токи VT. 47

§3. Основные схемы включения транзисторов. 52

§4 Влияние температуры на статические характеристики VT_а. 59

§5 Эквивалентные схемы замещения транзистора. 61

§6 Представление транзистора в виде четырехполюсника и системы статистических параметров. 63

§7 Эл. пар-ры, классификация и система обозначений VTов. 71

2.3 Полевые транзисторы.. 72

§1. Полевые транзисторы с управляющим переходом. 72

§2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. 73

§3. Полевые транзисторы с изолированным затвором. 78

2.4. Тиристоры (VS) 80

§ 1. Принцип действия. 81

§ 2. Математический анализ работы тиристора (не нужно). 82

§ 3. Вольт – амперная характеристика тиристора. 84

§ 4. Типы тиристоров. 85

§ 5. Особенности работы и параметры тиристоров. 87

2.5. Оптоэлектронные полупроводниковые приоры. 90

Полупроводниковые излучатели. 90

Фотоприемники (общие сведения) 92

Фоторезисторы.. 92

Фотодиоды.. 93

Фотоэлементы.. 94

Фототранзисторы.. 95

Фототиристоры.. 96

Оптроны.. 97

2.6. Интегральные микросхемы.. 98

РАЗДЕЛ 3. УСИЛИТЕЛИ.. 99

§1. Анализ процесса усиления электрических сигналов. 99

§2. Работа УЭ с нагрузкой. 101

Динамические х-ки. 101

Нагруз. линии У и их построение. 102

Сквозная характеристика У на биполярном VT. 105

§3. Стр - рная схема У. Классификация У. 107

Общие сведения. 107

Классификация У. 108

§4 Основные параметры и характеристики усилителей. 110

§5 Обратная связь в усилителях. 111

Режимы работы УЭ. 113

РАЗДЕЛ 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.. 115

Общие сведения. 115

Инвертирующий усилитель. 116

Интегратор. 117

Содержание. 119