Радиотехнические устройства на основе операционного усилителя. - Оcновы радиоэлектроники
Идеальный операционный усилитель
При расчете схем с ОУ широко пользуются понятием об идеальном операционном усилителе, у которого:
- 1. Коэффициент усиления по напряжению бесконечно велик: K. 2. Входное сопротивление велико: RВх. 3. Выходное сопротивление мало: RВых0. 4. Усилитель полностью симметричен (), усиливает одинаково колебания любых частот (полоса пропускания бесконечна) и не имеет дрейфа нуля.
Свойства схем идеального ОУ определяются только внешними по отношению к ОУ элементами. Рассмотрим несколько простейших таких схем.
Инвертирующий усилитель (рис. 13).
Поскольку коэффициент усиления по напряжению К=, а выходное напряжение ограничено, то можно считать, что U1=0, а токи определяются из выражений:
. (10)
Ввиду того, что U10, a RВх, входной ток также равен нулю и I1=-I2. Выражая токи с помощью (10), получаем коэффициент усиления схемы:
. (11)
Рис. 13. Схема инвертирующего усилителя
Знак "минус" означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Отметим: чтобы реальный ОУ работал как идеальный, необходимо выполнение соотношений:
, (12)
Где RH -- сопротивление цепи нагрузки. Погрешность коэффициента усиления схемы в результате невыполнения этих условий определяется по следующим формулам:
. (13)
Входное сопротивление схемы для источника сигналов определяется сопротивлением R1, т. е. R'Вх=R1.
Неинвертирующий усилитель.
Здесь (рис. 14) входной сигнал подается на вход (+), а по инвертирующему входу осуществляется обратная связь. Коэффициент передачи цепи обратной связи
. (14)
Знак "минус" поставлен потому, что обратная связь подается на инвертирующий вход. Коэффициент передачи всей цепи (коэффициент усиления) равен:
. (15)
Входное сопротивление схемы из-за наличия отрицательной обратной связи возрастает: , a выходное сопротивление уменьшается. Кроме этих положительных качеств, существенно возрастает стабильность коэффициента усиления (определяется только стабильностью отношения R2/R1) и увеличивается полоса пропускания усилителя.
Рис. 14. Схема неинвертирующего усилителя
В некоторых случаях не столь важным является усиление по напряжению, как способность усилителя согласовывать высокое внутреннее сопротивление источника сигналов c низким и, возможно, изменяющимся, сопротивлением нагрузки. Для этих целей используют повторитель (рис. 15) напряжения c полной обратной связью по инвертирующему входу: R1=, R2=0.
Рис. 15. Схема повторителя напряжения
В этом случае
;.
Как видно, коэффициент передачи такой цепи равен единице, входное сопротивление сильно возрастает, а выходное уменьшается. Таким образом, можно ставить низкоомную нагрузку RН=RВых при высокоомном сопротивлении генератора RГ=RВх.
Интегратор.
Данная схема (рис. 16) получается из схемы инвертирующего усилителя (рис. 13) заменой сопротивления R2 на емкость C, имеющую для синусоидального сигнала комплексное сопротивление. Производя замену в (11) для коэффициента передачи цепи, получим:
. (16)
Выражение (16) является условием интегрирования сигнала, так как все составляющие спектра сигнала на входе делятся на j. Для сигнала произвольной формы получим:
. (17)
Рис. 16. Схема интегратора
В отличие от пассивной интегрирующей цепи, произведение RС здесь может быть даже меньше длительности (или периода) сигнала Т. Необходимо только, чтобы сигнал на выходе в К (коэффициент усиления ОУ) раз был больше, чем при пассивной интегрирующей RC цепи.
Дифференциатор.
Рис. 17. Схема дифференциатора
Данная схема (рис. 17) получается из схемы интегратора, заменой емкости и сопротивления. Заменяя в формуле (11) R1 на и R2 на R, для коэффициента передачи цепи получим:
. (18)
Это является условием дифференцирования сигнала, так как каждая составляющая спектра на входе умножается на j. Итак,
. (19)
Выражение (19) применимо при выполнении условия RC<<KT, где Т -- длительность сигнала, что является гораздо менее жестким условием, чем условие дифференцирования пассивной RC цепью RC<<Т.
Логарифмирующие схемы.
Рис. 18. Логарифмирующая схема
В цепи обратной связи ставится диод или эмиттерный диод (рис. 18). Известно, что вольт-амперная характеристика p-n перехода определяется равенством, которое является достаточно точным при. Логарифмируя, получаем, отсюда
. (20)
Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений. Обратную операцию - нахождение произведения по логарифму можно осуществить с помощью антилогарифмической схемы, в которой диод VD и сопротивление R меняются местами.
Генератор колебаний прямоугольной формы.
ДУ можно включить таким образом, что они будут работать как генераторы сигналов различной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной). Рассмотрим схему генератора прямоугольных колебаний на ДУ (рис. 19). В момент подачи напряжения питания на инвертирующий вход 1 поступает нулевое напряжение с первоначально разряженного конденсатора С. В тот же момент на инвертирующий вход 2 может поступать небольшое напряжение U2 через делитель R1R2 с выхода усилителя.
Рис. 19. Схема генератора прямоугольных колебаний
Небольшое напряжение на выходе может появиться даже при отсутствии дифференциального сигнала между входами 1, 2. Однако даже если U2 очень мало, оно начнет переводить ОУ в режим насыщения вследствие большого коэффициента усиления ОУ без обратной связи, которая в начальный момент не работает вследствие разряженности конденсатора С. Когда ОУ насыщен, конденсатор заряжается через резистор R. Когда напряжение на конденсаторе UC станет равным напряжению
,
Дифференциальное напряжение входов 1, 2 ОУ меняет знак, вследствие чего меняется знак напряжения на выходе UВых и напряжения U2 (рис. 20 )
Рис. 20. Форма напряжений на выходе UВых и на конденсаторе UC
Вследствие этого отрицательное дифференциальное напряжение входов 1, 2 еще более возрастает и скачком переводит ОУ в режим отрицательного насыщения. Конденсатор С начинает теперь разряжаться и затем перезаряжаться на минус. При UC = - U2 снова произойдет скачок выходного напряжения и начнется новый цикл. Период колебаний генератора не зависит от свойств ОУ, а определяется временем перезаряда конденсатора C:
. (21)
Отношение R2/R1 определяет уровень напряжений перезарядки конденсатора. На ОУ можно также строить схемы фильтров и множество других устройств. В настоящее время функции ОУ еще более расширились и под ОУ понимают высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач.
Похожие статьи
-
Составные части операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники
Усилитель постоянного тока (УПТ). УПТ отличается от усилителей переменного тока отсутствием каких-либо емкостей. Рис. 2. Простейший усилитель постоянного...
-
Свойства операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники
Операционный усилитель имеет два входа и один выход (рис. 1). Если на входы ОУ подать два напряжения (U+ и U-), то усиливаться будет их разность. Поэтому...
-
Определим граничную частоту усиления ФПУ. Коэффициент усиления К цепи, как функцию передачи информации линейной цепи, представить в операторной форме...
-
Методические указания, Усилитель., Дифференциатор - Оcновы радиоэлектроники
Сопротивление нагрузки для всех схем выбирается с учетом предельного значения тока: . Так как коэффициент усиления ОУ велик, а выходное напряжение...
-
Описание схемы операционного усилителя и его параметры - Разработка генератора с мостом Вина
ОУ 140УД26 [3] К140УД26 - широкополосный прецизионный операционный усилитель со сверхнизким значением входного напряжения шума, высоким коэффициентом...
-
Помимо аналого-цифровых преобразователей (АЦП), работой цифровой логики могут управлять операционные усилители (ОУ) и компараторы, преобразующие...
-
Обзор методов построения аналогичных устройств - Проектирование усилителей электрических сигналов
Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис....
-
Расчет выходного усилителя Расчет К-цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов и расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих...
-
Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ. Входной характеристикой транзистора,...
-
Источники сигнала и входные резисторы можно подключать и к не инвертирующему входу ОУ. (рис. 1.3) Рис.1.3 Не инвертирующий усилитель При замкнутой...
-
Определение числа каскадов - Универсальный усилитель сигналов звуковой частоты
Расчет производится, исходя из требуемого усиления сигнала по напряжению. 1. Определяем номинальный сквозной коэффициент передачи: . (1.1) 2. Задаемся...
-
Инвертирующий сумматор - Разработка интегрирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах
Рис.1.2 Инвертирующий сумматор Разновидностью интегрирующего усилителя есть сумматор (рис.1.2), он позволяет получать на выходе суммарное напряжение,...
-
Целью данного курсового проекта является разработка интегрирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах и проведение графоаналитического расчета...
-
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....
-
ФПУ является составной частью линейного тракта и служит связующим звеном между ВОК и приемником. Фотодиоды изготавливаются из разных материалов. Рабочие...
-
ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ - минимальные шумы, максимальный...
-
Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ В соответствии со структурной схемой приведенной ранее, ФПУ конструктивно делится...
-
Расчет входного каскада - Универсальный усилитель сигналов звуковой частоты
Исходные данные: RВх3=597.25 (Ом); IБм3=IКм3/h21э3=14.8/220=0.07 (мА) Сначала рассмотрим входной каскад схемы (рис. 2.1). 1. Задаем постоянный ток...
-
Условия самовозбуждения автогенераторов гармонических колебаний. - Основы техники связи
Самовозбуждение в автогенераторе с обратной связью возможно только при выполнении следующих условий: баланса амплитуд; баланса фаз. Баланс фаз...
-
Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющими p-n-переходом и каналом р-типа показана на рисунке 5. Транзистор включен по схеме с...
-
Определить пределы изменения амплитуд входного тока и напряжения, выходного тока и напряжения в линейном режиме работы усилителя. Найти: IБm, IКm, UБэm,...
-
При работе усилителя коэффициент усиления не остается постоянным, а изменяется вследствие следующих дестабилизирующих факторов: - присутствие в схемах...
-
Приемник с переменной настройкой УРЧ состоит из каскада транзисторного резонансного усилителя с ОЭ, в котором колебательный контур настроен на частоту...
-
Для реальных структур Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом. Допустим, в...
-
Измерение параметров элементов радиотехнических цепей (R, L, С, tgд=1/Q) - Оcновы радиоэлектроники
Метод вольтметра-амперметра Не требует специальных приборов (рис. 24). Рис. 24. Схема измерения комплексного сопротивления методом вольтметра-амперметра...
-
Разработать усилитель низкой частоты с параметрами: = 20 Гц; IH= 0,2 A; RВх= 70 кОм; KU= 5000; Расчет усилителя низкой частоты Функциональная схема...
-
Выбор усилителя - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им...
-
Интегратор - Оcновы радиоэлектроники
Так как в схеме интегратора мы имеем дело не с идеальным операционным усилителем, а реальным, имеющим некоторое напряжение сдвига, то он нуждается в...
-
Компенсационный стабилизатор напряжения - Оcновы радиоэлектроники
Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) также представляет собой делитель напряжения, образованный переменным сопротивлением регулирующего элемента...
-
Измерительные генераторы - Оcновы радиоэлектроники
В измерительном генераторе частота, форма и напряжение имитируемого сигнала устанавливаются равными необходимому значению и могут перестраиваться в...
-
Выходной каскад для согласования с внешней нагрузкой выполнен по схеме эмиттерного повторителя. При этом RН=50 Ом и ток покоя выбирается достаточно...
-
Переходные процессы и основы синтеза линейных радиотехнических цепей
Переходные процессы и основы синтеза линейных радиотехнических цепей Современные радиотехнические системы часто включают в себя комплекс достаточно...
-
Расчет выходного каскада - Разработка дифференциального усилителя
Расчет усилителя мощности на транзисторах Определим мощность, рассеиваемую на нагрузке: W Определим ток, протекающий через нагрузку: A Определим величину...
-
Схемы ТТЛ _ транзисторно-транзисторной логики - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
Разновидности схем ТТЛ Также широко используются на практике разновидности схем ТТЛ: А) схема ТТЛ с тремя состояниями выхода Схемы базовых ТТЛ нельзя...
-
Мощность сигнала, получаемого из выхода формирователя длительности импульсов мала. Усилитель импульсов предназначен для усиления импульсов перед их...
-
Структурная схема усилителя постоянного тока - Проектирование усилителей электрических сигналов
При проектировании усилителя постоянного тока следует учесть, что его структурная схема состоит из нескольких частей: КП 52.292028.201Э2 Изм. Лист №...
-
Ключевой режим работы транзистора - Электроника и схемотехника аналоговых устройств
1. Транзисторный ключ с общим эмиттером Наибольшее распространение в цифровой и импульсной технике имеет ключ с общим эмиттером. В схеме - коллекторная...
-
Операционные усилители Цель работы Изучение устройства, принципа действия и применения операционных усилителей в различных радиотехнических устройствах....
-
Определяем сопротивление резистора Rк. R3= Rк (0.2 0.3) RВых = 0.25*24662 (Ом),где RВых = RВх. ок. Определяем сопротивление резистора Rэ. Rэ =R4= 0.5*Rк=...
-
ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ - Цифровые устройства и микропроцессоры
Ниже приведены некоторые параметры в отечественном по ГОСТ 19480-89 и международном обозначении. Tзд. р.1,0 / tPHL - время задержки распространения при...
Радиотехнические устройства на основе операционного усилителя. - Оcновы радиоэлектроники