2. Операционный усилитель (оу): условное обозначение, параметры оу, схема инвертирующего усилителя оу и его характеристики.

Операционный усилитель (ОУ) — это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, OP275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычи􏰀 тание, логарифмирование и др. Такие усилители имеют дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 3.15, а, а его условное обозначение — на рис. 3.15, б.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае — в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +U_n и -U_n или один биполярный источник, средняя точка трансформатора которого соединена с общей шиной, относительно которой измеряются напряжения +U_n и -U_n равные (6,3)...(15) Â.

Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.

Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, , между выходом и инвертирующим входом, и соединив вход Н с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 3.16, а), статическая амплитудная характеристика которого изображена на рис. 3.16, б. Максимальное значение напряжения , т. е. на 1...3 В меньше напряжения питания U_n.

Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика U_вых(U_вх) изображены на рис. 3.16, в, г.

Коэффициент усиления инвертирующего ОУ c ООС К_{и. ос} приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов R_ос и R₁ звена ООС и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (К_и=10⁵...10⁶). Без обратных связей ОУ не применяется из-за его практически бесконечного значения коэффициента К_и (для идеального ОУ

Основными параметрами ОУ наряду с коэффициентом К_и являются:

1. входное сопротивление

2. выходное сопротивление

3. входное напряжение смещения нуля U_см(единицы милливольт);

4. частота единичного усиления f₁ (единицы и десятки мегагерц), т. е. частота, при которой К_и = 1

5. скорость нарастания выходного напряжения ( ) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых. max}

6. время установления выходного напряжения ( ) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых. max}

На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 3.17): повторитель (а), интегратор (б), дифференциатор (в), сумматор (г) и др.

Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей, аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств

Вопросы по электронике:

1. Основные этапы и главные области применения электронных устройств. Основные типы электронных приборов.

Электроника — это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разра􏰀боткой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств.

В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем (с 1958 г.), фун􏰀 кциональных устройств с использованием объемных эффектов (с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и промышленная электроника.

Электросвязь охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконно-оптическую и сотовую связи. В сфере телекоммуникаций прогнозируется, что в ближайшем будущем 80% систем связи перейдут на цифровые стандарты, произойдёт существенный скачок в развитии микросотовой персональной телефонии, на которую будет приходиться до 15% мирового рынка мобильной связи. Это обеспечит повсеместную возможность приёма и передачи информации любых форматов и объёмов.

К радиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др.

Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронно-вычислительных машин, автоматизированных систем управления, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих систем, гибких автоматизированных производств и др. Специалисты прогнозируют, что в ближайшие годы ожидается создание и широкое распространение карманных компьютеров, рост использования супер-ЭВМ с параллельной обработкой информации.

Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную технику, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др.

Современное структурное и схемное проектирование основано на использовании мощных силовых элементов, аналоговых и цифровых микросхем, номенклатура ко􏰀 торых чрезвычайно разнообразна. Однако в любом устройстве можно выделить основные электронные приборы, на которых они построены. Среди них выделим: электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, электронно-лучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.); ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, иг􏰀 нитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны); полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников.

Основными классами полупроводниковых приборов являются: диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы; приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках.

В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах различают четыре вида приборов-преобразователей сигналов: электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах; электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических сигналов на выходах формируются световые сигналы; фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в электрические; термоэлектрические приборы, у которых тепловые сигналы на входах и электрические на выходах.

В зависимости от формы сигналов, обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.

Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители, в том числе операционные.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др.

Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.

2. Диоды и их свойства. Разновидности диодов.

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n-переходом, имеющим два вывода: анод А и катод К (рис. 1.3).

При включении p-n-перехода под прямое напряжение сопротивление p-n-перехода снижается, а ток возрастает. При обратном напряжении обратный ток неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока. При напряжении (см. точку а на вольт-амперной характеристике (ВАХ) диода (рис. 1.3)) начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока , соответствующий электрическому пробою p-n-перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой (после точки б на рис. 1.3).

Из ВАХ диода следует, что он обладает неодинаковой электрической проводимостью в прямом и обратном направлениях его включения. Поэтому полупроводниковые диоды используют в схемах выпрямления переменного тока.

Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5...0,7 В, то для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт — закрыт, имеющий ВАХ, изображенную на рис. 1.4.

Вольт􏰀амперная характеристика, т. е. зависимость тока, протекающего через р-п-переход, от значения и полярности приложенного к нему напряжения U, достаточно хорошо соответствует выражению

Анализ типовых ВАХ диодов (см. рис. 1.3) показывает, что прямое напряжение на германиевом диоде почти в два раза меньше, чем на кремниевом, при одинаковых значениях прямого тока , а обратный ток кремниевого диода значительно меньше обратного тока германиевого при одинаковых обратных напряжениях . К тому же, германиевый диод начинает проводить ток при ничтожно малом прямом напр жении а кремниевый – только при .

Исходя из этих свойств, германиевые диоды применяют как в схемах выпрямления переменного тока, так и для обработки сигналов малой амплитуды (до 0,3 В), а кремниевые, наиболее распространённые – как в схемах выпрямления, так и в схемах устройств, в которых обратный ток недопустим или должен быть ничтожно мал. К тому же, кремниевые диоды сохраняют работоспособность до температуры окружающей среды 125...150 °С, тогда как германиевые могут работать только до 70 °С.

Вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость тока, протекающего через р-п-переход, от значения и полярности приложенного к нему напряжения U, достаточно хорошо соответствует выражению

где - ток насыщения; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; – температурный потенциал электрона