Государственая служба гражданской авиации московский государственный

Инструменты.

• 
  Резисторы и реостат
  
• 
  Операционные усилители
  
• 
  Источник постоянной ЭДС
  
• 
  Генератор функций.
  

Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

• 
  коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (K_U  );
  
• 
  входное сопротивление стремится к бесконечности (R_ВХ  );
  
• 
  выходное сопротивление стремится к нулю (R_ВЫХ  0);
  
• 
  если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю (U_ВХ = 0  U_ВЫХ = 0);
  
• 
  бесконечная полоса усиливаемых частот (f_В  ).
  

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное графическое изображение приведено на рис.1.

Д
Рисунок 1 – Условное графическое обозначение ОУ
ва вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное напряжение U_вых связано с входными напряжениями U_вх1 и U_вх2 соотношением

U_вых = K_U0 (U_вх1 – U_вх2),

где K_U0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Питание операционного усилителя осуществляется от двух разнополюсных источников. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне 3 В…18 В

При отсутствии входного сигнала через входные контакты ОУ протекают так называемые тепловые токи, обусловленные наличием разности напряжений в N-P переходах расположенных в ОУ транзисторов и диодов. Значения этих токов можно приблизительно оценить по значению среднего входного тока:

I_ср=; I₁ и I₂ – токи на входах ОУ при отсутствии внешнего сигнала.

В отдельных случаях необходимо знать модуль разности входных токов:

I_вх=I₁ - I₂

Качество операционных усилителей характеризуется коэффициентом усиления напряжения на постоянном токе. Для идеального ОУ этот параметр стремится к бесконечности, для реальных ОУ составляет величину порядка десятков тысяч единиц.

Для компенсации влияния тепловых токов на выходной сигнал, на вход необходимо подать напряжение смещения

U_cм=

Для операционного усилителя есть две составляющие входного сопротивления: входное сопротивление по синфазному импульсу и входное дифференциальное сопротивление.

Входное сопротивление по синфазному импульсу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к приращению среднего входного тока:

R_вх.сф.=

Дифференциальное сопротивление определяется как отношение дифференциального напряжения (изменения напряжения между входами ОУ) к изменению входного тока:

R_{вх. диф.}=

Выходное сопротивление R_вых в ОУ уменьшает амплитуду выходного сигнала и составляет 20…2000 Ом.

О
Рисунок 2 – Определение времени нарастания импульса по графику

тношение изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания называется скоростью нарастания выходного напряжения. Время нарастания  время, за которое выходное напряжение изменяется от 10% до 90% от своего установившегося значения. V_Uвых=; На рисунке 2 показана зависимость выходного напряжения от времени.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СХЕМ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Далее приведены основные схемы, использующие ОУ. Более подробное описание работы этих схем приведено в литературе из приведенного в конце данного пособия списка (Например, [1])

И
нвертирующий усилитель

Рисунок 3  Инвертирующий усилитель

R_oc – сопротивление обратной связи.

К_у=

С увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления значительно снижается. Поэтому инвертирующий усилитель применяется для усиления сигналов с частотой, меньшей некоторой граничной.

Граничная частота  это частота, при которой коэффициент усиления ухудшается не более чем на 30% от своего максимального значения (при постоянном входном сигнале).

Н
еинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления: К_у=; =

Постоянная составляющая выходного напряжения U_0вых=U_cмK_y

При изменении значения сопротивления обратной связи, изменяется передаточная характеристика ОУ (зависимость выходного напряжения от входного напряжения).

С
уммирующий усилитель

Количество входных напряжений не ограничено; U_вых=

Интегрирующий усилитель

V=  скорость изменения выходног напряжения

U_вых=

К
Рисунок 6  Интегрирующий усилитель

_у= (для синусоидального сигнала)

Дифференцирующий усилитель

U_вых=

При подаче на вход синусоидального сигнала, напряжение на выходе также будет изменяться по синусоидальному закону с той же частотой, что и входной сигнал.

Рисунок 7  Дифференцирующий

усилитель

Дифференциальный усилитель

П
Рисунок 8  Дифференциальный усилитель
ри R₁=R₂

U_вых=

Усиливает разность двух входных напряжений.


КОМПАРАТОРЫ

Компараторы – особый класс электронных схем, основная функция которых  сравнение входного сигнала с эталонным. В них состояние выходного сигнала изменяется при превышении входным сигналом порогового значения (рисунок 9а). Компараторы могут выполняться на базе различных элементов, в том числе и на операционных усилителях. При этом усиление входного сигнала значительно лишь вблизи порога, в основном работа ОУ происходит в области ограничения выходного напряжения (отрицательной или положительной).

Основной характеристикой компаратора является зависимость “Вход-Выход” (зависимость выходного напряжения от входного напряжения), представленная на рисунке 9б.

С
хема простейшего компаратора  детектора нулевого уровня (пороговое напряжение достаточно близко к нулю) представлена на рисунке 10

Рисунок 10  Детектор нулевого уровня.

Классификация операционных усилителей.

Быстродействующие широкополосные операционные усилители (К154УД2) используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единич­ного усиления, а по остальным параметрам уступают операцион­ным усилителям общего применения. К сожалению, для них не нормируется время восстановления после перегрузки,

Их основные параметры: скорость нарастания V_{Uвых max} >> 30 В/мкс; время установления t_уст  1 мкс; частота единичного усиления f₁  10 МГц.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители (К140УД24) исполь­зуются для усиления малых электрических сигналов, сопровождае­мых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

Их основные параметры: напряжение смещения U_см  250 мкВ; температурный дрейф U_см / T  5 мкВ/°С; коэффициент усиле­ния K_U0  150 тыс.

Операционные усилители общего применения (К140УД7) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смеще­ния U_см — единицы милливольт, температурный дрейф U_см / T — десятки микровольт/°С, коэффициент усиления К_U0 — десятки тысяч, скорость нарастания V_{Uвых max} — от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Операционные усилители с малым входным током — усилители с входным каскадом, построенным на полевых транзисторах. Вход­ной ток I_вх  100 пА.

Многоканальные операционные усилители имеют параметры, аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Они служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры. Западные фирмы выпускают сдвоенные прецизионные и быстродействующие усилители.

Мощные и высоковольтные операционные усилители — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоко­вольтных элементах. Выходной ток I_вых  100 мА; выходное напря­жение U_вых  15 В.

Микромощные операционные усилители (К1423УД1) необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, приборы, работающие в ждущем режиме). Ток потребления I_{пот max}  1 мА.

жүктеу/скачать 5.85 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: