Структура и основные параметры оу. Применение оу.

ОУ были разработаны в 50-х годах прошлого века для выполнения некоторых математических операций (сложение, вычитание, умножение, интегрирование и др.) в аналоговых ЭВМ. При выполнении подобных операций в настоящее время аналоговые элементы полностью вытесненылогическими цифровыми элементами. Но применение их перешло в другие сферы автоматики: датчики, измерительные приборы, усиление слабых сигналов и т.д. ОУ выпускаются промышленностью в виде ИС. Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель б), для изучения которого удобно предварительно рассмотреть параллельный балансный усилитель а).

В балансном усилителе имеется два совершенно одинаковых каскада, на базы которых подается входное напряжение. Транзисторы и резисторы R _к1 и R _к2 составляют мост. Выходное напряжение можно снимать с диагонали моста. Оба эмиттера имеют общий резистор R _Э.

При подаче U _вх напряжения баз становятся равными ± . Такой сигнал называется парафазным (противоположные фазы). Ток одного каскада увеличивается, другого – на столько же уменьшается. Ток через сопротивление R _Э не изменяется, т.е. для парафазного напряжения R _Э  не является сопротивлением ОС. При U _вх =0 U _вых = 0. Коэффициент усиления усилителя параллельного баланса такой же, как коэффициент усиления одного каскада.

При подаче на оба входа разных сигналов U _вх1 и U _вх2 усилитель превращается в дифференциальный. При U _вх1 =+ , а U _вх2 =- (парафазное напряжение), усилитель работает как балансный, ток через резистор R _Э. остается постоянным, резистор не является резистором ОС. В дифференциальном усилителе входные сигналы могут отличаться и тогда выходной сигнал пропорционален разности входных напряжений. Например, при U _вх1= U _вх2 (синфазное напряжение) каждое плечо создает свой ток через R _Э, напряжение на нем равно двум напряжениям от одного плеча, ООС удваивается. Выходное напряжение равно нулю. Это качество широко используется для подавления помех, которые являются синфазными, в то время как полезные сигналы на обоих входах могут отличаться. В любом случае для подавления помех необходим минимальный коэффициент усилениясинфазного сигнала, что достигается увеличением R _Э. Получается, что для уменьшения синфазного сигнала необходимо увеличение R _Э, а для усиления парафазного сигнала—уменьшение R _Э. Для достижения таких противоречивых качеств используют или генераторы стабильного тока или токовые зеркала: если ток в R _Э стабильный, это значит, что любое изменение напряжения вызывает очень малое изменение тока. Тогда в динамическом режиме (ΔI→0)

                                      R _Э =  →∞.

В статическом режимесопротивление определяется стабильным током и может быть как угодно малым.

Реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах почти невозможно. А в интегральном исполнении за счет стабильности и высокой идентичности элементов ОУ выпускаются серийно.

ОУ обычно имеют два входа и один выход (иногда два—прямой и инверсный) и включают несколько каскадов усиления, обеспечивающих коэффициент усиления напряжения от единиц до десятков тысяч. Обозначение ОУ в схемах таково.

 

В состав ОУ обычно входит каскад сдвига уровня напряжения, позволяющий получить на выходе нулевое напряжение при отсутствии напряжения на входе (исключает постоянную составляющую).

Выходной каскад для лучшего согласования с нагрузкой имеет малое выходное сопротивление. Часто в нём предусмотрена защита от перегрузок путем ограничения максимального тока выходных транзисторов. Необходимо показать двухтактный выходной каскад!

 

Наиболее употребительными параметрами являются:

-коэффициент усиления дифференциального (разностного) сигнала;

-коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазных входных напряжений;

-напряжение смещения—значение напряжения на входе ОУ, при котором напряжение на выходе равно нулю;

-входные токи I _вх1, I _вх2 и разность входных токовΔ I = I _вх1 - I _вх2;

-потребляемые токи, входные и выходные сопротивления и проч.

Импульсные усилители (ИУ).

Импульсные усилители (ИУ)предназначены для усиления импульсов тока или напряжения с минимальным искажением их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро.что форма сигнала на выходе в основном зависит от переходных процессов. Полоса пропускания ИУ очень широка: от единиц Гц до МГц. Роль ИУ постоянно возрастает вследствие высокой экономичности. ИУ применяются как в звуковой аппаратуре, так и силовых цепях, например, при ШИМ-регулировании. Отличия усиленного импульса от прямоугольного выражаются в следующих параметрах.

А-размах или величина импульса.

ΔА-относительный спад вершины.

τ_ф—длительность фронта импульса (время восстановления). Измеряется от 0,1 до 0,9 размаха импульса.

τ_с -длительность среза (спада) импульса. Измеряется от 0,1 до 0,9 размаха импульса.

τ— длительность импульса, измеряется на уровне 0,5А.

b₁ ,b₂ --выбросы на фронте и срезе.

Для усиления импульса усилитель должен обладать противоречивыми качествами: фронты и срезы требуют максимально возможной частоты в то время как вершина требует минимально возможной частоты (постоянная величина). Лучше всего для такой работы подходят усилители с гальваническими связями (УГС – УПТ). Но УГС имеют хорошие качества только в интегральном исполнении. Поэтому для импульсных сигналов больших частот используют импульсные усилители переменного тока с коррекцией по верхним и нижним частотам – высокочастотная и низкочастотная коррекция.

Наиболее распространенным видом ВЧ-коррекции является включение в цепь коллектора (или стока) индуктивности L. R _к, L, разделительные емкости, связывающие коллектор с источником питания через другие элементы схемы образуют параллельный колебательный контур, который должен быть рассчитан так, чтобы работать на верхних частотах в состоянии, близком к резонансу. В этом состоянии контур имеет большое сопротивление, и контур имеет повышенный коэффициент усиления. С помощью индуктивности можно поучить увеличение амплитуды на ВЧ в ≈1.5 раза.

При низких входных сопротивлениях последующего каскада эффективность индуктивной коррекции низка. Используют высокочастотную эмиттерную коррекцию. Дополнительные элементы R _кор и C _кор создают дополнительную ООС, от которой усиление усилителя уменьшается. Но на ВЧ сопротивление конденсатора C _кор падает, ООС ослабевает, усиление увеличивается, т.е. общий коэффициент усиления уменьшается, но ВЧ не ослабевают по сравнению с более низкими частотами.

Для поддержания уровня вершины импульса необходимо уменьшить нижнюю частоту полосы пропускания усилителя, т.е. ввести низкочастотную коррекцию. Обычно это осуществляется с помощью RC -фильтра, введенного в цепь коллектора (или стока). Конденсатор С_ф выбирают так, чтобы на высоких и средних частотах его сопротивление было бы минимальным. С уменьшением частоты сопротивление конденсатора растет. Сопротивление цепи R _ф C _ф также растет. Сопротивление в цепи коллектора возрастает, коэффициент усиления увеличивается. В результате амплитуда нижних частот относительно возрастает.

 Фильтр R _ф C _ф играет еще одну полезную роль: при его отсутствии переменные напряжения передаются на источник питания, создают на нем падение напряжения и через него воздействуют на все элементы, питающиеся от этого источника. R_фC_ф- цепь отфильтровывает эти частоты, т.е. уменьшает паразитную связь между каскадами по переменному току. Такие фильтры носят название развязок.