Параметры по переменному току

· Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.

· Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.

· Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при повышении рабочих частот.

· Ненулевое время восстановления после насыщения.

Нелинейные эффекты[править | править вики-текст]

· Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель не действует в соответствии с формулой (1), что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение — работа ОУ в режиме компаратора.

 

 

·

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения[править | править вики-текст]

· Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ opa277 [1] выходное напряжение находится в пределах от V _S−+0,5 В до V _S+−2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340 [2], эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

· Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Мощные ОУ, такие как К157УД1, могут иметь крепление длярадиатора.

· Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм

Классификация ОУ

По типу элементной базы

· На полевых транзисторах

· На биполярных транзисторах

· На электронных лампах (устарели)

По области применения[править | править вики-текст]

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

· Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример «классических» ОУ: с биполярным входом — LM324, с полевым входом — TL084.

· Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.

· С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10⁻¹⁴ А.

· Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.

· Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.

· Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.

· Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.

· Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.

· Малошумящие ОУ.

· Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD). Примеры: LM4562 (THD 0,00003 %), OPA2132 (THD 0,00008 %), LME49600 (THD 0,00003 %), AD797 (THD 0,0001 %) и т. п.

· Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.

· Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

· Обычный двухвходовый ОУ;

· ОУ с тремя входами^[8]: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

· Обычный ОУ с одним выходом;

· ОУ с дифференциальным выходом^[9]

 

Л42
 практическая розрахунок показників роботи операційного підсилювача

 

Л43

Широкосмугові підсилювачі

Апериодический усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот, для чего в качестве элементов связи между каскадами усиления применяются апериодические цепи со специально подобранными параметрами. А. у. применяются для усиления видео-импульсов, а также для различных измерительных целей.

 

 

Л44 \ 8

Селективный усилитель

 

Селективный усилитель предназначен для подавления основной частоты (первой гармоники) и выделения высших гармоник. Он состоит из трех ступеней: первая и третья являются промежуточными ступенями усилителя, вторая является собственно селективным устройством. [1]

Селективные усилители применяют в промышленных системах обработки информации, когда необходимо из широкого спектра частот входного сигнала выделить составляющие, несущие информацию. Селективные усилители должны обеспечивать постоянство частотных и фазовых характеристик выделяемого сигнала, возможность регулировки коэффициента передачи и выделяемой полосы частот, устойчивую работу при больших коэффициентах усиления. [2]

Основные электрические характеристики селективного усилителя:
резонансный коэффициент усиления – коэффициент усиления на частоте· настройки избирательной системы усилителя;
полоса пропускания – полоса частот, в которой неравномерность· амплитудно-частотной характеристики не превышает заданной величины (обычно определяется по уровню половинной мощности);
частотная избирательность – степень уменьшения коэффициента· усиления при частотной расстройке;
диапазон рабочих частот – диапазон изменения резонансных частот· усилителя; динамический диапазон – диапазон допустимых уровней входного сигнала;· устойчивость при изменении внешних условий (питание, температура);
· линейные, нелинейные и переходные искажения.·

Резонансный коэффициент усиления K0, полоса пропускания П и частотная избирательность при расстройке Δf определяются по амплитудно- частотной характеристике усилителя

 

Рассмотрим основные особенности построения схем УРЧ. На рис. 4.2 приведена схема резонансного усилителя на полевом транзисторе с ОЄ

В цепь стока включен колебательный контур, содержащий катушку индуктивности LK и конденсатор Ск. Контур настраивается на резонансную частоту с помощью конденсатора переменной емкости Ск. В усилителе применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр RзСз и катушку LK. Поскольку значение емкости С3 в 50...100 раз превышает максимальную емкость Ск, резонансная частота контура определяется практически только параметрами LK и Ск. На частоте резонанса контур имеет наибольшее сопротивление. При этом коэффициент усиления максимален и называется резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, уменьшение эквивалентного сопротивления и коэффициента усиления определяет избирательные свойства усилителя. Исходный режим на затворе определяется падением напряжения тока истока на R2. Емкость С2 устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор С1 - разделительный. Резистор R1 служит для подачи напряжения смещения на затвор. На рис. 4.2 показано автотрансформаторное подключение контура к стоку транзистора для повышения устойчивости усилителя. В каскадах на биполярных транзисторах частичное (трансформаторное или автотрансформаторное) подключение контура к активному элементу используется не только для повышения устойчивости усилителей, но и для уменьшения шунтирования контура сравнительно малыми входными и Селективные усилители 78 выходными сопротивлениями транзисторов.
Расчет основных параметров селективных усилителей Нагруженный контур селективного усилителя имеет параметры: 𝐿 = 𝐿к; 𝐶 = 𝐶к + 𝑚1 2𝐶22 + 𝑚2 2𝐶н; 𝑔0 = 𝑔к + 𝑚1 2𝑔22 + 𝑚2 2𝑔н. Здесь 𝐿к – индуктивность катушки контура, 𝐶к – емкость конденсатора контура, 𝑔к - резонансная проводимость ненагруженного контура, 𝐶22 – выходная емкость транзистора, 𝑔22 – выходная активная проводимость транзистора, 𝑚1 – коэффициент подключения транзистора к контуру, 𝑚2 – коэффициент подключения нагрузки к контуру. В многокаскадных усилителях в качестве параметров нагрузки принимают входные проводимости следующего транзистора. Коэффициент передачи усилителя рассчитывается по формуле 𝐾 = − 𝑚1𝑚2𝑌 21 𝑔0 1+𝑗 ε, где ε = 1 δ 𝑓 𝑓0 − 𝑓0 𝑓 - обобщенная расстройка, δ – затухание нагруженного контура, 𝑓0 = 1 2π 𝐿𝐶 - резонансная частота. Модуль резонансно коэффициента передачи, соответственно равен 𝐾 = − 𝑚1𝑚2|𝑌 21| 𝑔0. Амплитудно-частотная характеристика усилителя имеет вид резонансной кривой контура γ 𝑓 = 1 1+ε 2. Фазо-частотная характеристика определяется обобщенной расстройкой и постоянной времени транзистора φ 𝑓 = − tan−1 ε − tan−1 ωτ𝑠. Селективные усилители 81 Полоса пропускания селективного усилителя определяется полосой пропускания нагруженного контура П = 𝑓0δ. Выбор коэффициентов включения контура производится в соответствии с требованиями, предъявляемыми к его характеристикам.

 

Основные режимы работы селективного усилителя Различают следующие режимы работы селективного усилителя: режим непосредственного включения транзистора в контур;· режим максимального усиления при заданной полосе пропускания;· режим фиксированного усиления при заданной полосе пропускания;· режим согласования с нагрузкой;· Кроме того, рассматривают варианты согласования источника сигнала (антенны) с входом селективного усилителя радиочастоты: режим согласования источника сигнала с входом селективного усилителя· при заданной полосе пропускания входного контура; режим оптимального рассогласования источника сигнала.·

 

 

Л45