2.6 Операционные усилители и ДК 2025

1. Операционные усилители

2. Операционный усилитель (ОУ)

• - это усилитель постоянного тока с
дифференциальным
входом,
выполненный в виде интегральной
микросхемы.
• К особенностям ОУ относятся большой
коэффициент усиления на постоянном
токе Ko ~ 107, высокое входное (~ 106
Ом) и низкое выходное (~ 1 Ом)
сопротивление.
• В стандартном включении используется
двуполярное питание усилителя.

3.

• УГО:
• * Клеммы питания не показаны.
• Uвых= Ko(U1 – U2) – напряжение на
выходе
пропорционально
разности
напряжений
на
входах
(дифференциальный вход).

4. Основа операционного усилителя – дифференциальный каскад

• Дифференциальный каскад (ДК) –
это схема включения 2-х транзисторов
по мостовой схеме с соединением в
общей точке двух эмиттеров или
истоков.

5.

• Схемы дифференциальных каскадов на
биполярных и полевых транзисторах.
Выход
Вход 1
Вход 2
Эквивалентная схема
дифференциального
каскада

6.

• Принципы работы ДК: Если на базы транзисторов
поданы одинаковые напряжения (Uвх1=Uвх2), то оба
транзистора находятся в одинаковом состоянии, т.е.
сопротивления участков коллектор-эмиттер для двух
транзисторов одинаковы RVT1 = RVT2. В этом случае
мост находится в уравновешенном состоянии и
потенциалы точек а и б одинаковы =>
=> Uвых = Uа – Uб = 0
• Если на базы транзисторов поданы разные
напряжения (Uвх1 ≠ Uвх2), то RVT1 ≠ RVT2, мост выйдет
из состояния равновесия и Uвых ≠ 0.
• Знак (полярность) выходного напряжения Uвых, и как
следствие направление выходного тока будут
зависеть от соотношений RVT1 и RVT2. Если RVT1 > RVT2
(Uвх1 < Uвх2), то Uа > Uб => Uвых >0.
• Если RVT1 < RVT2 (Uвх1 > Uвх2), то Uа < Uб => Uвых <0
(выходной ток поменяет свое направление).

7.

• Для улучшения параметров ДК вместо
резистора RЭ в схему ставят источник
стабильного тока:

8.

• В операционных усилителях часто используют
несколько дифференциальных каскадов на входе и
каскад усиления мощности на выходе.
• 1 каскад – симметричный ДК
• 2 каскад – несимметричный ДК

9.

• Амплитудная характеристика ОУ без
обратной связи:
Ограничение
сигнала
• Без
обратной
связи
у
операционного
усилителя
очень
ограниченный
диапазон
входных
напряжений.
• Это обусловлено высоким
коэффициентом усиления.
Т.е. подавая относительно
слабый сигнал на вход,
усилитель сразу входит в
насыщение и появляется
ограничение сигнала.
• Для расширения динамического диапазона в операционных
схемах используют отрицательную обратную связь, которая
уменьшает коэффициент усиления и одновременно расширяет
динамический диапазон (см. ЛР по ОУ).

10.

• Частотные свойства ОУ:
• Идеальный ОУ характеризуется бесконечно большой
верхней граничной частотой усиления fгр (* нижняя граничная
частота равна 0 Гц – постоянный ток).
• Реальный ОУ не может иметь бесконечную частоту fгр из-за
инерционных свойств транзисторов, более того его верхнюю
граничную частоту искусственно понижают для устранения
самовозбуждения усилителя в схемах без ОС:
Ko – коэффициент
усиления ОУ на
постоянном токе без ООС.
fгр – верхняя граничная
частота без ООС.
f1 – частота единичного
усиления (паспортный
параметр ОУ!)
Koc – коэффициент
усиления на постоянном
токе c ООС.
fгрOC – верхняя граничная
частота с ООС.

11.

Из рисунка видно, что граничная частота ОУ без ООС достаточно низкая fгр < 100 Гц,
однако при введении отрицательной обратной связи граничная частота
увеличивается.
Т.е. для расширения частотного диапазона усилителей на ОУ необходимо вводить
отрицательную обратную связь.
Предельная частота на которой коэффициент усиления падает до 1 называется
частотой единичного усиления f1. Для реальных ОУ она достаточно велика ~ 106 Гц.

12. Применение ОУ

• Схемы
с
ОУ
получили
широкое
распространение в аналоговой электронике
и автоматике вследствие их относительной
простоты и эффективности работы.
• Дифференциальный
вход
позволяет
устранять
синфазные
помехи
в
симметричных линиях связи (#витая пара),
высокий коэффициент усиления часто
используется в измерительных схемах,
высокое входное сопротивление ОУ и
широкий частотный диапазон (при наличии
ООС) позволяет применять его для усиления
практически любых сигналов, низкое
выходное сопротивление дает возможность
работы на низкоомную нагрузку.

13.

Передача
сигнала
Передача
помехи
• Помеха в двух близкорасположенных проводах
наводится с одинаковой фазой и амплитудой.
• При вычитании этих сигналов с помощью ОУ помеха
ослабляется.
• Полезный сигнал, который передается по проводам
в противофазе, наоборот усиливается.

14. Типовые схемы включения ОУ

• Неинвертирующий усилитель на ОУ – схема
для усиления сигналов без изменения фазы.
R2, R1 – цепь обратной связи
(последовательная ООС по напряжению),
Найдем коэффициент усиления схемы Kос.
Ku
U oc
K oc
,
1 Ku
U вых
Из-за высокого входного
сопротивления здесь тока
нет
U oc
I oc R1
R1
U в ых I oc ( R1 R 2) R 2 R1
Ku
1 1 R1 R 2
K oc Lim( K u )
Lim( Ku )
1 Ku
R1
• Kос = (R1+R2)/R1 – коэффициент
неинвертирующего усилителя на ОУ.
усиления

15.

• Инвертирующий усилитель на ОУ – схема
для усиления сигнала с изменением фазы
на 180о
R2 – цепь обратной связи
(параллельная ООС по напряжению).
* Ku = Uвых/(φа – φb)
при Ku →∞ (φа – φb) → 0
По II правилу Кирхгофа для
входной цепи:
IR1 ( a b ) U вх 0
По II правилу Кирхгофа для
выходной цепи:
IR2 U вых ( a b ) 0
U вых ( a b ) IR2
K ос
,* a b 0
U вх ( a b ) IR1
• Kос= – R2/R1

16.

• * Из приведенных данных видно, что
коэффициенты усиления каждой схемы
зависят только от параметров внешних
элементов (резисторов) и не зависят от
свойств самого операционного усилителя!
• Этим
обусловлено
широкое
распространение
ОУ
в
аналоговой
электронике.
• Применение ООС в схемах с ОУ позволяет
увеличить
динамический
и
частотный
диапазон
усилительной
схемы
(см.
лабораторную работу по ОУ).

17.

• Сумматор на ОУ
• Вычитатель на ОУ

18.

• Широкополосный повторитель на ОУ
Выход
сигнала
Вход
сигнала
• Верхняя граничная частота равна
частоте единичного усиления f1.
• Ku = 1, Rвх → ∞, Rвых → 0.

19.

• Компаратор на ОУ – схема сравнения двух
сигналов.
• Если напряжение uвх < Uоп, то uвых >0.
• Если напряжение uвх > Uоп, то uвых < 0.
• При uвх = Uоп , uвых = 0.
• Компараторы применяются в автоматических системах
сравнения двух величин, а также являются составной частью
АЦП прямого преобразования.
• Компараторы в виде отдельных ИМС как правило
имеют цифровые выходы с логическими уровнями 0 и 1.

20.

• Интегратор на ОУ – устройство выходное
напряжение
которого
пропорционально
интегралу входного напряжения.
• Интеграторы
находят
широкое применение для
аналоговой
обработки
сигналов, например, в
установках
по
снятию
динамических
петель
гистерезиса
ЭДС
на
съемной
катушке
пропорционально скорости
изменения
магнитной
индукции (dB/dt). И для
построения
петли
гистерезиса (зависимость
В(H))
необходимо
проинтегрировать выходной
сигнал ЭДС.
• Также интеграторы широко
используются в автоматике
для
временной
корректировки
управляющих сигналов.

21.

• Гиратор
на
ОУ
–
это
устройство,
эмитирующее катушку индуктивности в цепи
переменного тока. То есть электрический ток,
проходя через такое устройство отстает по
фазе от напряжения, что создает эффект
наличия катушки индуктивности в цепи.
Эквивалентная индуктивность: L= RL·C·R
Общий импеданс цепи: Z = RL + jw(RL·C·R)
• Основное применение гираторов –
замена крупногабаритных катушек
индуктивности в электрических
фильтрах
на
низких
частотах
спектра. Также гираторы удобно
использовать
в
схемотехнике
аналоговых
интегральных
микросхем.

22.

• Логарифмирующий усилитель

23. Примеры практических схем на ОУ

Простой усилитель мощности звуковой частоты на ОУ TDA2030.
Биполярные транзисторы выполняют функцию усилителей тока,
диоды выполняют защитную функцию при неправильном
подключении полярности питания, резисторы 100к и 3к3
определяют усиление схемы.

24.

• Измерительный усилитель на ОУ
Используется мостовая измерительная схема (мост
Уитстона) с резистивными датчиками (R+∆R) в одном
из плечей моста. В качестве датчиков могут выступать
терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы
и пр. ОУ усиливает напряжение разбалансировки
моста, которое будет пропорционально измеряемой
величине.

25.

• Компенсационный стабилизатор напряжения
на ОУ.
ОУ сравнивает напряжение стабилизации Uст, поступающее со
стабилитрона и напряжение Uд, поступающее через делитель
напряжения R1, R2 и пропорциональное Uвых. Выходной сигнал
разности этих напряжений с выхода ОУ управляет работой транзистора
(если Uд<Uст, то транзистор открывается, если Uд>Uст, то закрывается.
Таким образом поддерживается постоянство напряжения на выходе.
* По такому принципу работают многие автоматические и
автоматизированные системы управления промышленной электроники.

26.

• Практическое задание 1: найдите в
приведенных
схемах
дифференциальные
каскады
и
операционные усилители.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

• Практическое задание 2. Определите
схемы включения биполярных
транзисторов на предложенных схемах.

33.

34.

35.

36. Вопросы

1. Что такое операционный усилитель? Какие у него особенности?
2. Нарисуйте УГО операционного усилителя. Подпишите выводы.
3. Нарисуйте схему симметричного дифференциального каскада на
биполярных или полевых транзисторах.
4. Нарисуйте амплитудную характеристику операционного усилителя.
5. Почему схемы с ОУ чаще всего используют с отрицательными
обратными связями?
6. Приведите АЧХ реального ОУ с обратной связью и без нее. Укажите
на АЧХ основные частотные параметры ОУ.
7. Где и в качестве чего применяется ОУ в современной электронике?
8. Нарисуйте типовую схему неинвертирующего ОУ, приведите
формулу для расчета коэффициента усиления схемы.
9. Нарисуйте типовую схему инвертирующего ОУ, приведите формулу
для расчета коэффициента усиления схемы.
10. Приведите схему генератора на ОУ с мостом Вина.
11. При каких параметрах элементов схемы генератор на ОУ с мостом
Вина будет генерировать колебания? На какой частоте возникнут
колебания?