1 какие выводы содержит оу и для чего они предназначены

Раздел 3. Операционные усилители (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8

Раздел 3. Операционные усилители.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О микросхемАХ

Современный операционный усилитель (ОУ) представляет собой микросхему, которая включает в себя несколько каскадов усиления сигнала, при этом между каскадами отсутствуют разделительные конденсаторы, т.е. существует непосредственная гальваническая связь между последовательной цепочкой каскадов усиления. Такие усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами называют усилителями постоянного тока (с таким же основанием можно было бы также назвать их усилителями постоянного напряжения, однако это не является общепринятым). В таких усилителях приращение постоянного напряжения на входе вызывает приращение постоянного напряжения на выходе , усиленное в некоторое количество раз, которое равно коэффициенту усиления , т.е.

Операционный усилитель имеет очень большой коэффициент усиления порядка (). Такая величина усиления, как правило, слишком велика для обычного усилительного каскада. Для того чтобы построить схему усилителя с заданным коэффициентом усиления, к операционному усилителю подключают цепь отрицательной обратной связи. Сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает с выхода ОУ на его вход в противофазе с входным сигналом (со знаком минус) и, следовательно, вычитается из него. Отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления схемы до необходимой заданной величины. Кроме того, как будет показано ниже, ООС стабилизирует коэффициент усиления, а также снижает нелинейные искажения сигнала, порожденные усилительными каскадами.

Рис.1.1. Блок- схема внутренней структуры операционного усилителя.

После входного дифференциального каскада следует второй усилительный каскад. Это может быть как дифференциальный каскад, так и каскад с общим эмиттером. При построении О.У. часто применяют каскады с активной нагрузкой для получения максимального усиления в одном каскаде. В схеме О.У. имеется также специфический каскад сдвига уровня постоянного напряжения. Задача этого каскада заключается в том, чтобы сбалансировать распределение напряжений в схеме таким образом, чтобы при нулевых напряжениях на входах усилителя выходное напряжение также было бы равно нулю. После каскадов основного усиления и каскада сдвига уровня следует выходной (оконечный) каскад, который имеет низкое выходное сопротивление. В качестве выходного каскада нередко применяют эмиттерный повторитель, который характеризуется низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель обозначают на принципиальной электронной схеме в виде треугольника с выводами, как это показано на рис.1.2.

Выводы входов и выхода обязательно изображают на чертеже, их назначение очевидно: ввод и вывод сигналов, подключение цепей обратной связи.

Выводы питания иногда не изображают, подразумевая, что они существуют и подключены к источникам питания обычным стандартным образом.

Рис.1.2. Обозначение операционного усилителя на схеме. Выводы ОУ.

Выводы «балансировка» предназначены для подключения выводов потенциометра (т.е. переменного сопротивления). При этом центральный вывод потенциометра подключается к источнику питания. Индивидуальные рекомендации по подключению цепи «балансировка» даются в справочнике для конкретной микросхемы. Конечная цель балансировки обычно состоит в том, чтобы достичь установки нулевого постоянного напряжения на выходе ОУ при нулевой разности постоянных напряжений на входах ОУ. В некоторых типах усилителей выводы «балансировка» могут отсутствовать, в особенности, если в одном корпусе размещено несколько микросхем ОУ и количества ножек, т.е. контактов корпуса, достаточно лишь только для размещения цепей питания, входов и выходов операционных усилителей.

Рассмотрим пример размещения О.У. в стандартном корпусе. Для примера возьмем высокоточный (прецизионный) операционный усилитель типа К140УД17, размещенный в металлостеклянном корпусе круглой формы (типа 301.8-2) и аналогичный О.У. КР140УД17 размещенный в прямоугольном пластмассовом корпусе (типа 2101.8-1)

Рис.1.3. Расположение выводов операционного усилителя типа К140УД17 в круглом металлостеклянном корпусе (слева), и операционного усилителя типа КР140УД17в прямоугольном пластмассовом корпусе (слева), вид сверху.

На этих рисунках порядок номеров выводов располагается против часовой стрелки. Это соответствует ситуации, когда мы смотрим на микросхему сверху, т.е. со стороны корпуса. Со стороны выводов (ножек) отсчет следует вести по часовой стрелке, начиная от ключа. Ключ – это выступ или выемка на корпусе микросхемы.

Рассмотрим в предварительном порядке некоторые параметры операционного усилителя на примере микросхемы К140УД17А, (КР140УД17А)

Входной ток: не более 4 наноампер (А), эта величина очень мала, вместе с тем, существуют усилители, которые имеют входные токи в сотни раз меньшие, чем указанный выше.

Коэффициент усиления: не менее 200000

Частота единичного усиления: . Эта величина характеризует полосу пропускания усилителя. Усиление ОУ уменьшается при увеличении частоты и спадает до величины при частоте .

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (Вольт на микросекунду). Эта величина, довольно невысокая у данного усилителя, характеризует скорость увеличения выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения. Данная характеристика связана с полосой пропускания О.У.

Напряжение смещения, Этот параметр характеризует неточность внутренней балансировки О.У. при отсутствии внешних цепей балансировки усилителя. Для данного ОУ К140УД17А величина составляет не более 75 мкВ.

Поясним физический смысл этого параметра. Предположим что мы закоротили, т.е. объединили одним проводом входы операционного усилителя. При этом разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Несмотря на это, напряжение, измеренное на выходе О.У., не будет равно нулю вследствие некоторого дисбаланса элементов внутри микросхемы. Для того, чтобы напряжение на выходе стало равным нулю необходимо между входами включить некоторый источник напряжения, . Это напряжение называют напряжение смещения.

По известной величине напряжения смещения легко оценить величину погрешности усилителя на выходе усилителя, который охвачен отрицательной обратной связью и имеет коэффициент усиления .

Эта погрешность равна .

Источник

Что такое операционный усилитель?

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

Что такое операционный усилитель

ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Источник

Операционный усилитель

Содержание

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Обозначения

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования

Питание

В общем случае ОУ использует двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами:

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

((1))

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется [2] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах [4] [5]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейший неинвертирующий усилитель на ОУ

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R₁R₂:

тогда для неидеального ОУ (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

Решая данную систему относительно V_out / V_in, получаем:

то есть получен усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления ОУ и номиналов резисторов. Если же ОУ имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент G_openloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному току

Параметры по переменному току

Нелинейные эффекты

Ограничения тока и напряжения

Классификация ОУ

По типу элементной базы [7]

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

По выходным сигналам:

Использование ОУ в схемотехнике

Использование ОУ как схемотехнического элемента гораздо проще и понятнее, чем оперирование отдельными элементами, его составляющими (транзисторов, резисторов и т. д.). При проектировании устройств на первом (приближённом) этапе операционные усилители можно считать идеальными. Далее для каждого ОУ определяются требования, которые накладывает на него схема, и подбирается ОУ, удовлетворяющий этим требованиям. Если получается, что требования к ОУ слишком жёсткие, то можно частично перепроектировать схему для обхода данной проблемы.

Принципиальная схема операционного усилителя

Схемы на операционных усилителях

Операционные усилители являются основным элементом для дифференциаторов.

Области применения

См. также

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Операционный усилитель» в других словарях:

операционный усилитель — операционный усилитель; отрасл. решающий усилитель; усилитель постоянного тока Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. решающий… … Политехнический терминологический толковый словарь

операционный усилитель — Ндп. усилитель постоянного тока: решающий усилитель Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью. [ГОСТ 18421 93] Недопустимые,… … Справочник технического переводчика

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — (в вычислительной технике), см. Решающий усилитель (см. РЕШАЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ) … Энциклопедический словарь

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — (в вычислительной технике) см. Решающий усилитель … Большой Энциклопедический словарь

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — усилительэлектрических колебаний (УЭК) с внеш. цепями, предназначенный для выполнениянек рых линейных операций (суммирование, интегрирование, дифференцированиеи др.). Часто название О. у. относят к самим УЭК, к рые обычно выполняютсяв виде… … Физическая энциклопедия

операционный усилитель — 15 операционный усилитель (Ндп. усилитель постоянного тока: решающий усилитель): Усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью Источник: ГОСТ… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

операционный усилитель — operacinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. operational amplifier vok. Operationsverstärker, m rus. операционный усилитель, m pranc. amplificateur opérationnel, m … Automatikos terminų žodynas

Операционный усилитель — в аналоговой вычислительной технике, Решающий усилитель без цепей обратной связи … Большая советская энциклопедия

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ — в вычислительной технике см. Решающий усилитель … Большой энциклопедический политехнический словарь

Операционный усилитель 741 — в корпусе TO 5 Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) универсальный интегральных операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный μA741 был разработан в 1968 году Дэвидом… … Википедия

Источник