ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭПС

Усилительные и переключающие аналоговые элементы

Свойства и характеристики операционных усилителей.

Основу вычислительных аналоговых элементов составляют операционные усилители (ОУ), выполненные по микросхемной технологии с малой степенью интеграции. Операционные усилители подразделяются на приборы общего назначения, высокочастотные, прецизионные (с высокой точностью усиления), микромощные (с малым энергопотреблением), программируемые.

Схемно-техническое обозначение операционного усилителя показано на рис. 2.1. Усиливаемое входное напряжение идф подается на дифференциальный вход. Входы усилителя подразделяют на прямой (обозначен на рис. 2.1 знаком «плюс») и инвертирующий (обозначен знаком «минус»). Инвертирующий вход на схемах обычно обозначают о. Питание усилителя осуществляют от двуполярного источника с общей точкой (+ О—(— {/„„_). Общая точка источника пита-

х ПИК х пик

ния соединена электрически с общей точкой ОУ, обозначенной на схеме 0. Выходное напряжение операционного усилителя «вых формируется относительно общей точки схемы.

Схемно-техническое обозначение операционного усилителя

Рис. 2.1. Схемно-техническое обозначение операционного усилителя

На основе операционных усилителей реализован большой ряд функциональных элементов: сумматоров сигналов, устройств сравнения (вычитания) сигналов, интегрирующих и дифференцирующих устройств, пороговых устройств (компараторов, электронных реле), преобразователей нелинейных функций, генераторов тональных и релаксационных сигналов.

Свойства и характеристики функциональных элементов на основе операционных усилителей формируются посредством внешних цепей, (резисторов, конденсаторов, диодов, стабилитронов), подключаемых к цепям входа и выхода, а также образующих обратные связи в усилителе. Основные технические характеристики ОУ приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Основные технические характеристики операционных усилителей

Параметр

Обозначение

Значение параметра

1

Напряжение питания, В

Цшт

+ 15—0—(—15)

2

Входное напряжение, В

"дф

±(2-10)

3

Выходное напряжение, В

^вых

±(6-12)

4

Входной ток, мкА

^вх

0,2-0,5

5

Выходной ток (нагрузка), мА

^вых

<10

6

Потребляемый ток, мА

^пит

10-15

7

Рабочая частота, кГц

-/раб

10-20

8

Коэффициент усиления

(5—50)-103

Частотная характеристика усилителей определяется соотношением:

где/j — частота единичного усиления, при которой Кц — 1, а/) = 1 МГц; например, при Кц= ЮО Ураб = 10 кГц.

Маркировка операционных усилителей: К140УД (1—10) А, Б, В; К153УД (1-5) А, Б, В; К154УД (1-4) А, Б, В; К553УД (1-5) А, Б, В; К574УД (1-3) А, Б, В.

Операционный усилитель содержит четыре каскада усиления. Эквивалентная схема усилителя показана на рис. 2.2.

Входной дифференциальный каскад представляет собой транзисторную пару VT1—VT2, выполняющую разностное усиление входного сигнала. В эмиттерную цепь транзисторов включен стабилизатор тока VT3, обеспечивающий постоянную сумму коллекторных токов транзисторной пары.

Первый каскад ОУ усиливает входной сигнал по дифференциальному входу в 10—15 раз. Второй дифференциальный каскад составлен из транзисторной пары VT4—VT5, также выполняющей разностное усиление. Транзисторы VT4—VT5 включены относительно

Эквивалентная схема операционного усилителя

Рис. 2.2. Эквивалентная схема операционного усилителя

входного каскада VT1—VT2 по схеме коллекторного повторителя. В эмиттерную цепь транзисторов VT4—VT5 включен стабилизатор тока VT6, обеспечивающий постоянную сумму коллекторных токов транзисторной пары. Резисторный делитель напряжения R6— R7 создает общую точку усилителя с нулевым потенциалом. Второй дифференциальный каскад усиливает сигнал входного каскада дополнительно в 50—100 раз.

Предоконечный усилительный каскад выполнен на транзисторе VT7, он включен по схеме коллекторного повторителя транзистора VT5.

Выходной усилительный каскад выполнен на транзисторе VT9, включенном по схеме коллекторного повторителя транзистора VT7. Транзистор VT8 является стабилизатором тока транзистора VT7, он обеспечивает стабильность усиления выходного каскада. Предоконечный и выходной каскады являются усилителями мощности; коэффициент усиления этих каскадов находится в пределах 5—10. Выходное напряжение операционного усилителя формируется между эмиттером транзистора VT9 и общей точкой усилителя. Транзисторы VT8, VT9 включены по схеме с положительной обратной связью, которая увеличивает коэффициент усиления выходного каскада VT9, обеспечивая общий коэффициент усиления усилителя в пределах (5—10)103 при выходном сопротивлении нагрузки 10 кОм.

Кроме указанных электродов, для подключения внешних цепей входа, выхода и источника питания усилитель имеет дополнительные электроды для корректирующих цепей нулевого потенциала общей точки усилителя, а также для расширения частотного диапазона (частотная коррекция) линейного усиления (на схеме рис. 2.2 эти электроды не показаны).

Различают два основных схемных включения усилителей, реализующих инвертированное и прямое (неинвертированное) усиление.

В режиме инвертированного усиления входное напряжение подается на инвертирующий вход, выделенный на схеме кружком, а прямой вход подключается к общей точке схемы А (рис 2.3, а). В этом режиме усиления выходное напряжение противоположно по направлению входному. В случае инвертированного усиления переменного синусоидального напряжения фаза выходного напряжения сдвинута относительно входного на 180°.

Схемы усиления операционных усилителей

Рис. 2.3. Схемы усиления операционных усилителей: а — инвертированное усиление; б — неинвертированное усиление

Входное напряжение дифференциального входа усилителя в режиме усиления составляет достаточно малую величину:

Соотношение входного и выходного напряжений схемы инвертированного усиления устанавливаются пропорционально сопротивлениям резисторов входной цепи RBX и обратной связи Roc, так как разность потенциалов точек А и 0 близка к нулю. Отсюда следует:

Характеристика инвертированного усиления показана на рис. 2.4, а. Коэффициент наклона характеристики равен коэффициенту усиления схемы:

Уровень выходного напряжения усилителя ограничен величиной U , определяемой напряжением источника питания ?/пит, за вычетом падения напряжения в выходном каскаде (см. рис. 2.2).

В режиме прямого (неинвертированного) усиления входное напряжение подается на вход «+», а инвертирующий вход подключается через резистор R3 к общей точке схемы 0 (см. рис. 2.3, б). В этом режиме усиления выходное напряжение совпадает по направлению с входным.

Соотношение входного и выходного напряжений для схемы неинвертированного усиления:

Сопротивление резистора RBX в цепи прямого входа практически не влияет на коэффициент усиления схемы, так как входной ток,

Характеристики усиления операционных усилителей

Рис. 2.4. Характеристики усиления операционных усилителей: а — инвертированное усиление; б — неинвертированное усиление

равный внутреннему току дифференциального каскада, ничтожно мал по сравнению с током обратной связи. Коэффициент неинвер- тированного усиления схемы на единицу больше по сравнению со схемой инвертированного усиления при одинаковых сопротивлениях в цепи инвертирующего входа и обратной связи:

Характеристика неинвертированного усиления ОУ показана на рис. 2.4, б. Коэффициент наклона характеристики равен коэффициенту усиления схемы:

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >