Электрическая схема оу. Принцип работы. Назначение элементов электрической схемы. Особенности параметров схемы усилителя.
Пример операционного усилителя проиллюстрирован на рис. 3.13.
Питание схемы осуществляется от двух источников UBX1, UBX2 с одинаковым напряжением и разными знаками.
Входной усилительный каскад выполнен на транзисторах Т1 и Т2 по дифференциальной схеме. Выходы первого каскада связаны с входами второго каскада на транзисторах Т5 и Т6 также по дифференциальной схеме. Резистор в цепи коллектора транзистора Т5 отсутствует, так как выходной сигнал второго каскада снимается только с коллектора транзистора Т6. Источник стабильного тока во втором дифференциальном каскаде не используется.
Требуемая стабильность суммарного эмиттерного тока транзисторов Т5 и Т6 достигается с помощью резистора R5. Падение напряжения на этом резисторе повышает потенциал эмиттеров. Третий усилительный каскад выполнен на транзисторах Т7 и Т8. Выход его связан с транзистором T9, на котором реализован выходной эмиттерный повторитель. Построение третьего усилительного каскада таково, что транзисторы Т7 и Т8 представляют собой управляемые элементы входного делителя эмиттерного повторителя. Управление Т7 производится по цепи базы выходным сигналом второго каскада, управление транзистором Т8 - по цепи эмиттера напряжением на резисторе R12.
Транзистор Т8 входит в контур положительной обратной связи, позволяющей обеспечить высокий коэффициент усиления третьего каскада.
Очевидно, максимальное выходное напряжение отрицательной полярности будет близко к —Ек , а максимальное напряжение положительной полярности — к +Ек.
Амплитудные (передаточные) характеристики приведены на рис. 3.14.
Вышеуказанные характеристики представлены в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоя из горизонтального и наклонного участков. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму выходного каскада (эмиттерного повторителя). На этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется максимальными напряжениями близкими к напряжении источника питания. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления операционного усилителя.
Примеры влияния обратных связей на работу операционных усилителей. Использование операционного усилителя с инвертирующими и неинвертирующими входами. Построение на базе ОУ устройств для усиления сигналов, суммирования и вычитания сигналов, масштабирования сигналов, активных дифференцирующих, интегрирующих и логарифмирующих устройств. Привести электрические схемы и описать параметры перечисленных устройств.
Понятие "обратная связь". В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве "системы" может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем - за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.
Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.
Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.
В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.
Важнейшие правила
которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи.
Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а
сформулируем правило I:
Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток;
сформулируем правило II:
Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Инвертирующий усилитель
Рассмотрим схему на рис. 3. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные правила:
1. Потенциал точки B равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки A также равен потенциалу земли.
2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых, б) падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.
3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим Uвых/R2 = -Uвх/R1, или коэффициент усиления по напряжению = Uвых/Uвх = R2/R1. Позже вы узнаете, что чаще всего точку B лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.
Чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 - 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что произойдет? Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.
Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.
Неинвертирующий усилитель
Рассмотрим схему на рис. 4. Анализ ее крайне прост: UA = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения: UA = Uвых R1 / (R1 + R2). Если UA = Uвх, то коэффициент усиления = Uвых / Uвх = 1 + R2 / R1. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.
