December 16 2017 12:42:37
Навигация
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
Схемотехника операционных усилителей
ЭЛЕКТРОНИКА- курс лекций

Если параметры каскадов выбраны таким образом, чтобы минимизировать их взаимное влияние, то допустим подход к формированию ЛАЧХ усилителя путем сложения ЛАЧХ отдельных каскадов. Такой подход существенно упрощает синтез и анализ характеристик. Выбор числа каскадов, их элементной базы и характеристик позволяет получить самые разнообразные усилители для конкретных приложений. Для удобства синтеза выделяют типы каскадов (входные, промежуточные, выходные), предназначенные для решения специфических задач. Входной каскад (предварительный усилитель) обеспечивает согласование усилителя с источником сигнала и фактически определяет шумовые параметры всего усилителя и его динамический диапазон. Промежуточные каскады формируют требуемые частотные характеристики и обеспечивают заданное усиление напряжения. Выходной каскад (усилитель мощности) согласует параметры усилителя с нагрузкой во всем диапазоне ее изменения и выдает необходимую мощность выходного сигнала.

Наряду с транзисторными каскадами усилитель содержит вспомогательные цепи (стабилизированные источники напряжения и тока, схемы межкаскадной связи), которые влияют на параметры усилителей.

В многокаскадном усилителе связь между каскадами может осуществляться через разделительные конденсаторы, с помощью трансформатора или непосредственно. Каждый способ имеет достоинства, недостатки и области применения. Трансформатор может обеспечить хорошее согласование в диапазоне частот, но на низких частотах имеет большие габариты и поэтому применяется крайне редко и в основном для подключения низкоомных датчиков к входу предварительного усилителя. Разделительные конденсаторы снижают коэффициент усиления в низкочастотной области и не могут использоваться в усилителях медленно изменяющихся (квазипостоянных) сигналов. В интегральных микросхемах усилителей применяется непосредственная (гальваническая) межкаскадная связь со схемами выравнивания уровней постоянных составляющих без разделительных конденсаторов.

Основным недостатком многокаскадных полупроводниковых усилителей является существенная зависимость параметров полупроводниковых компонентов от температуры и других дестабилизирующих факторов. Для снижения влияния внешних воздействий на характеристики усилителей применяются различные схемотехнические приемы (симметрирование каскадов, компенсация воздействий). При  групповой технологии в микроэлектронике удается реализовать близко расположенные компоненты с высокой степенью идентичности параметров, что позволяет уменьшить действие дестабилизирующих факторов за счет симметрирования схем.

Вместе с тем основным способом построения усилителей с высокой стабильностью характеристик служит использование свойств отрицательной обратной связи. Исходная схема усилителя выполняется с существенной избыточностью значений параметров (высоким входным сопротивлением, очень большим коэффициентом усиления, широкой полосой усиливаемых частот), и требуемые параметры устройства получают введением местных и общих цепей прямой и обратной передачи сигналов.

Развитие технологии и схемотехники позволили создать усилители с электрически управляемыми (программируемыми) свойствами (коэффициентом усиления, полосой усиливаемых частот). Это дает возможность существенно улучшить их эксплуатационные параметра за счет дополнительных аппаратных затрат.

4.2. Схемотехника операционных усилителей

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока, работающий в широкой полосе частот от нуля до десятков мегагерц, имеющий весьма большой коэф-фициент усиления от десятков тысяч до миллионов и высокое входное сопротивление, которое обеспечивает малые входные токи. Электропитание стандартных ОУ осуществляется от двух источников +Vп и – Vп с общей точкой корпуса, что дает нулевые потенциалы входных и выходного зажимов при отсутствии входного сигнала (рис.4.3,а). Это позволи-ло путем непосредственного соединения ОУ достаточно просто создавать сложные устройства и способствовало их широкому использованию в аналоговых преобразователях сигналов.


Рис. 4.3. Схемное обозначение ОУ (а), его проходная (б) и частотная (в) характеристики

Термин операционный усилитель ОУ связан с построением на его основе операцион-ных блоков, выполняющих математические операции (суммирования, интегрирования). С разработкой в 1959 году транзисторных ОУ повысились их надежность, существенно уменьшились габариты и электропотребление, что привело к расширению области их применения. Развитие полупроводниковой интегральной электроники позволило заметно улучшить параметры ОУ и обеспечить невысокую стоимость при массовом производстве, что обусловило их использование в различных устройствах автоматики и измерительной техники. Первый интегральный ОУ (μA702) был разработан и выпущен в 1963 году. В настоящее время выпускаются сотни наименований интегральных ОУ.

Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, а также с точностными, динамическими и эксплуатационными характеристиками. Стандартный интегральный ОУ представляет собой многокаскадный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, промежуточные и выходной каскады с непосредственными межкаскадными связями. Первые микросхемы ОУ были реализованы на биполярных структурах. Совершенствование технологии привело к совместному использованию в ОУ каскадов на биполярных и полевых транзисторах, причем вначале МОП транзисторы применялись в дифференциальном входном каскаде для получения высокого входного сопротивления и весьма малых входных токов. Построение дискретно-аналоговых преобразователей, выполненных полностью по МДП технологии, привело к созданию ОУ, реализованных исключительно на МОП транзисторах. Применение аналоговых и цифровых преобразователей в составе электронного устройства способствовало разработке схем экономичных ОУ с однополярным электропитанием, номиналы которого совпадают с напряжением источников питания цифровых логических элементов. Для удобства построения аналоговых преобразователей выпускаются микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ.

Основные классификационные параметры ОУ связывают преимущественно с проходной и амплитудно-частотной характеристиками. Проходные характеристики ОУ по неинвертирующему img111и инвертирующему img112входам имеют вид кривых, отраженных относительно вертикальной оси (рис.4.3,б). Характеристику с достаточной степенью точности аппроксимируют прямолинейными участками: средним с наклоном img113, определяющим коэффициент усиления по одному входу, и областями ограничения, которые зависят от напряжения источников электропитания img114. С проходной характеристикой связан важнейший точностной параметр ОУ, проявляющийся в наличии постоянного напряжения на выходе при нулевом входном сигнала и называемый смещением нулевого уровня Uсм.

Частотная характеристика устойчивого ОУ, т.е. зависимость от частоты комплексного коэффициента передачи напряжения (АФЧХ) должна иметь первый порядок и вплоть до частоты единичного усиления f1 описываться соотношением: img115,

где img116 – частота среза, на которой Ku  уменьшается в img117 раз или на –3 дБ.

Соответствующую АЧХ (рис.4.3,в) аппроксимируют двумя отрезками:

- при img118 - параллельным оси img119;

- при img120 - с наклоном –20 дБ/дек img121.

В качестве одного из основных параметров ОУ наряду с частотами среза fс и единичного усиления f1 пользуются площадью усиления img122, которая при принятой аппроксимации АЧХ с учетом img123 удовлетворяет соотношению img124.

Параметры, характеризующие классификационные признаки ОУ принято делить на несколько групп:

1) точностные, включающие коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала, напряжение смещения нуля проходной характеристики, коэффициент ослабления поданного на оба входа синфазного сигнала, входные токи каждого зажима, разностный входной ток;

2) динамические, содержащие частоту единичного усиления, время установления и скорость нарастания сигнала;

3) эксплуатационные, к которым относятся номиналы напряжений электропитания, ток потребления, температурный диапазон.

В соответствии со значениями основных параметров многообразие выпускаемых ОУ можно разделить на несколько разновидностей.

Универсальные усилители общего назначения составляют большую часть номенклатуры ОУ. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности, с типичными параметрами: img125 = 10 3 …10 5, f1 = 0,1 - 10 МГц и напряжение смещения нулевого уровня Uсм  = 0,1…10 мВ.

Прецизионные  усилители характеризуются суммарной погрешностью не более долей процента и при среднем быстродействии имеют высокий коэффициент усиления напряжения, малое напряжение смещения нуля, большой коэффициент подавления синфазного сигнала, малый входной ток и низкий уровень шума.

Быстродействующие  усилители имеют высокую частоту единичного усиления img126= 50….1000 МГц и обеспечивают скорость нарастания выходного сигнала vu = 10….1000 В/мкс при средних точностных параметрах.

Микромощные усилители потребляют очень малый ток img127 порядка 1 мкА при небольших уровнях напряжения электропитания img128. Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Эти усилители используют в прибо-рах с автономным электропитанием от гальванических или аккумуляторных батарей.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.15 секунд 2,298,444 уникальных посетителей