Основные схемы включения операционных усилителей - Разработка дифференциального усилителя

Рассмотрим некоторые виды ОУ наиболее часто встречающиеся в линейных схемах. Линейность схемы определяется зависимостью входного и выходного сигнала т. е. зависимость между входом и выходом определяется линейным оператором(выражением). Таковыми являются аналоговые интеграторы, дифференцирующие схемы, преобразователи ток-напряжение, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и не инвертирующий усилители.

инвертирующее включение оу

Рисунок 1.1 - Инвертирующее включение ОУ.

Фактически операционный усилитель это усилитель постоянного тока охваченный глубокой обратной связью.

Если колебания от источника входного сигнала и сигнал обратной связи поступают на вход усилителя в противофазе, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний на входе и выходе усилителя то такая обратная связь называется отрицательной.

Схема инвертирующего включения ОУ показана на рисунке 1.1, где инвертирующий вход обозначен кружочком, а не инвертирующий - не обозначен. Обычно цепь отрицательной обратной связи включают на инвертирующий вход. В данном случае имеет место параллельная обратная связь по напряжению.

Коэффициент передачи такой цепи:

.

Где RВх. д - дифференциальное входное сопротивление ОУ; K - коэффициент усиления ОУ.

На практике применяют упрощенную формулу для расчета коэффициента передачи:

,

А сопротивление Z1 можно рассчитать как параллельное соединение сопротивлений RОс и R1

,

Полное выходное сопротивление схемы (в точках приложения напряжения U1)

,

Выходное сопротивление схемы

,

Простейшей схемой использования ОУ в инвертирующем включении является повторитель напряжения при R1=RОс=R. При этом KСв=-1; ZВх=R(1+K-1)=R; ZВых=RВых(1+K)-1

инвертирующий сумматор

Рисунок 1.2 - Инвертирующий сумматор.

Разновидностью инвертирующего усилителя является сумматор (рисунок 1.2), он позволяет получать на выходе суммарное напряжение, пропорциональное приложенным входным напряжениям. Через элемент цепи обратной связи ZОс протекает суммарный ток, поэтому напряжения при ZН=R1

,

При выборе сопротивлений резисторов, которые задают коэффициент передачи, стоит пользоваться неравенством

,

Где CПар=0,10,5 pF - паразитная емкость резисторов, fMax - наибольшая частота, на которой усилитель сохраняет свои свойства.

Сопротивления резисторов R1, R2, ..., RN определяют как

, где i =1,2,...,n.

При проектировании необходимо учесть, что суммарное напряжение на входе не должно превышать максимально допустимого напряжения UВых max для выбранного ОУ, то есть

,

Сопротивление нагрузки RН для инвертора должно соответствовать условию

,

Где IВых max - максимально допустимый ток на выходе ОУ.

Таким образом, справедливы следующие положения для всех схем инвертирующего включения:

Суммирующая точка является "виртуальной землей";

Входные токи ОУ отсутствуют;

Ток, который протекает в суммирующую точку из входных цепей, равен току, который протекает в цепи обратной связи.

Источники сигнала и входные резисторы можно подключать и к не инвертирующему входу ОУ. (рисунок 1.3)

не инвертирующее включение оу

Рисунок 1.3 - Не инвертирующее включение ОУ

При замкнутой цепи обратной связи

U1=I1Z1=UВыхZ1/(Z1+ZОс);UВых=K(U2-U1),

При совместном решении этих уравнений получим:

,

При Z1ZОс-1=K-1, KСв=1 и усилитель работает как повторитель напряжения. На практике широко используется классическая формула

,

Входное и выходное сопротивления, не инвертирующего ОУ рассчитывают по формулам

,

Такие усилители преобразуют входные сигналы в интегральные функции времени. Для интегратора необходим один ОУ, который работает в инвертирующем режиме (рисунок 1.4). Интегрирующий усилитель строится заменой в схеме инвертирующего усилителя RОс конденсатором C.

интегрирующий усилитель

Рисунок 1.4 - Интегрирующий усилитель

При использовании ОУ с идеальными характеристиками

,

З=RC - постоянная времени интегрирования; K1=(RC)-1 - масштабный коэффициент.

Масштаб интегрирования выбирают так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигало на рабочем участке граничного значения UВых max.

Коэффициент усиления интегрирующего усилителя зависит от частоты, и с ростом частоты коэффициент усиления, а также и выходное напряжение уменьшаются.

Зависимость коэффициента усиления от частоты показана на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5

Обычно выбирают C=0.01 1 F - R - C - цепь заряда конденсатора. Постоянная времени интегратора З=K1-1 задается. Сопротивление R рассчитывается по формуле

,

Следует учитывать, что выбранное сопротивление R должно удовлетворять следующему условию:

;RMax=100k

Для уменьшения времени разряда конденсатора необходимо включить параллельно конденсатору C резистор RОс или транзисторный ключ.

RОс - С - цепь разряда конденсатора, Р=RОсС.

Зная постоянную времени разряда и значения емкости, определяют сопротивление резистора RОс.

Найденное значение RОс должно удовлетворять следующему условию:

;RMax=100k - 1M.

Балансное сопротивление Rбал (если он предусмотрен в схеме) выбирают из условия

,

Где RБалUСм. 0/IВх.

Заменив местами, резистор и конденсатор в цепи отрицательной обратной связи интегратора, получим схему, которая выполняет обратную операцию, то есть дифференцирование.

дифференцирующий усилитель

Рисунок 2.6 - Дифференцирующий усилитель

При K, UВых=-RОсC,

Где RОсС=З - постоянная дифференцирования, которая выбирается так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигало на рабочем участке граничного значения.

Коэффициент усиления определяется при ZОс=RОс; ZC=1/jC

K=,

То есть коэффициент усиления дифференциального усилителя зависит от частоты, и с ростом частоты коэффициент усиления, а значит и выходное напряжение увеличиваются.

Обычно выбирают C=0.01 - 1 F

Постоянная времени дифференцирования З=RОсС

Зная постоянную времени дифференцирования и задаваясь значением емкости, выбирают сопротивление резистора RОс.

Полученное значение RОс должно удовлетворять следующему условию:

;RMax=100k - 1M.

По формуле на заданной частоте определяют коэффициент усиления дифференцирующего усилителя.

Если устройство должно работать на низкоомной нагрузке, то в качестве выходного каскада может использоваться усилитель мощности на основе операционного усилителя с выходным каскадом на транзисторах. Усиление по току будет производиться двухтактным выходным каскадом на транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 (рисунок 1.7), где в качестве выходных транзисторов VT3, VT4, используются транзисторы с проводимостью одного типа, а в качестве транзисторов VT1, VT2 используются транзисторы с проводимостью разных типов. Т. е. транзисторы VT1 и VT2 представляют собой комплиментарную пару. Выходной каскад работает в двухтактном режиме, при подаче с выхода ОУ на вход конечного каскада гармоничного сигнала, плечи транзисторов включаются по очереди, то есть сигнал, который отпирает транзисторы VT1, VT3, запирает транзисторы VT2, VT4.

Диоды VD1 - VD3 обеспечивают параметрическую температурную стабилизацию режима работы и вместе с резисторами R4, R5 обеспечивают выбранный режим работы транзисторного каскада.

Для получения большей мощности с высоким КПД используются двухтактные каскады, которые работают в режиме B, однако при этом имеют место большие нелинейные искажения усиленного сигнала за счет влияния нелинейного участка статической входной характеристики транзистора, на который попадает рабочая точка транзистора. Лучшим является режим АВ, который также обеспечивает высокий КПД. На базы транзисторов обоих плечей каскада подается небольшое смещение, при котором в цепи коллектора каждого транзистора протекает небольшой ток IКп=(0,05 - 0,15)IК max, который исключает влияние начального нелинейного участка входной характеристики транзистора. Исходя из этого, производится выбор рабочей точки транзистора. В выходном каскаде, который работает в режиме АВ, плечи двухтактной схемы работают по очереди, каждое в течение одного полупериода сигнала. Для упрощения расчета такого каскада считается, что один усилительный элемент работает в течение всего периода сигнала. Это позволяет выполнить расчеты по семейству характеристик одного элемента, получая при этом данные, касающиеся всего каскада.

двухтактный усилитель мощности

Рисунок 1.7 - Двухтактный усилитель мощности

2. Расчетная часть

Похожие статьи




Основные схемы включения операционных усилителей - Разработка дифференциального усилителя

Предыдущая | Следующая