- •Ю.С. Балашов а.И. Мушта а.М. Сумин
- •Воронеж 2011
- •Введение
- •1. Схемотехническое проектирование. Термины. Определения
- •1.1. Математические модели рэу и их элементов
- •2. Основные параметры и схемы построения аналоговых усилительных устройств
- •2.1. Классификация усилительных устройств
- •2.2. Технические показатели усилительных устройств
- •3. Каскады на моп-транзисторах. Схемотехника источников тока и токовых зеркал, каскадов с общим истоком и истоковых повторителей
- •3.1. Особенности моп-транзисторов
- •3.2. Схемотехника источников тока и токовых зеркал
- •3.3. Схемотехника с общим истоком и истоковых повторителей
- •4. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов. Схемотехника компараторов
- •4.1. Дифференциальные каскады. Схемотехника дифференциальных каскадов усиления
- •4.2. Схемотехника компараторов
- •5. Операционный усилитель. Схемотехника операционных усилителей. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала. Быстродействующие широкополосные операционные усилители
- •5.1. Операционный усилитель
- •5.2. Схемотехника операционных усилителей
- •5.3. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики операционного усилителя для малого сигнала
- •6. Схемотехника резистивно-емкостных каскадов
- •6.1. Характеристики в области средних частот
- •6.2. Характеристики в области низших частот
- •6.3. Характеристики в области высших частот
- •7. Устройства формирования ачх
- •7.1. Активные фильтры на операционных усилителях
- •8. Преобразователи частоты. Схемотехническое проектирование преобразователя частоты. Умножитель частоты и модулятор
- •8.1. Модуляция и демодуляция
- •8.2. Преобразователи частоты. Схемотехническое проектирование преобразователя частоты
- •8.3. Принципы построения умножителей частоты
- •8.4. Умножители частоты на дифференциальных каскадах
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
5. Операционный усилитель. Схемотехника операционных усилителей. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала. Быстродействующие широкополосные операционные усилители
5.1. Операционный усилитель
Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Он имеет высокое входное сопротивление и практически бесконечно большой коэффициент усиления KU. Несмотря на то, что связь ОУ с общей шиной обычно не указывается явно (рис. 5.1,а), она всегда имеет место и осуществляется через источники питания (рис. 5.1,б). Поэтому функционально ОУ часто рассматривают как четырехполюсник, имеющий кроме общего вывода два входа и один выход. Один из входов усилителя, отмеченный знаком «+» называют неинвертирующим, или прямым, другой вход, отмеченный знаком «–», называется инвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U+ на прямом входе или с уменьшением напряжения U_ на инвертирующем. Дифференциальный и синфазный входные сигналы, обозначаемые соответственно U и UСФ, определяются по формулам:
U = U+ - U_ (5.1)
UСФ= 0.5(U+ + U_) (5.2)
|
|
|
а) |
|
б) |
Рис. 5.1. Обозначение операционного усилителя
Операционный усилитель является дифференциальным устройством, способным реагировать только на дифференциальный сигнал. Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало и может рассматриваться лишь при оценке погрешности в работе ОУ.
Идеализированная модель ОУ предполагает, что связь между входным дифференциальным сигналом и выходным напряжением описывается соотношением
UВЫХ = KUU (5.3)
Поскольку KU , то использовать ОУ можно только в условиях действия отрицательной обратной связи, осуществляемой через внешнюю цепь, как показано на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Операционный усилитель с обратной связью
Внешняя цепь чаще всего является линейной пассивной цепью, однако в общем случае может содержать дополнительные усилительные элементы. Обратная связь будет отрицательной, если при увеличении выходного напряжения UВЫХ = UОС уменьшится U. В этом случае в цепи обратной связи устанавливается равновесный режим, при котором U = UВЫХ/ KU0, т. е. ОУ выполняет по отношению к внешней цепи функцию автоматического регулятора, формирующего на своем выходе такой сигнал управления внешней цепью, при котором дифференциальный сигнал U на входе ОУ (рассматриваемый как сигнал рассогласования) принимает нулевое значение.
Общий коэффициент ACOM усиления будет зависеть от усиления ОУ (А) и коэффициента обратной связи (β)
(5.4)
и при больших βА он равен 1/β т.е. не зависит от А.
Для устойчивости схемы с обратной связью необходимо, чтобы при частоте единичного усиления фазовая задержка ОУ была меньше 1800.
Каждый усилительный каскад, обладая инерционностью, вносит фазовый сдвиг до 900, и допустимое количество усилительных каскадов ограничено.
Обычно в состав ОУ входят:
1) входной дифференциальный каскад;
2) промежуточный каскад с высоким усилением;
3) выходной каскад;
4) источник опорных напряжений;
5) цепь компенсации.
Выходной каскад предназначен для работы на большую внешнюю нагрузку и его коэффициент усиления обычно меньше единицы. У операционных усилителей, нагруженных только на емкостную нагрузку (внутри кристалла), выходной каскад может отсутствовать, либо они могут содержать только один каскад с высоким выходным сопротивлением. Подобные усилители преобразуют (трансформируют) входное напряжение в выходной ток и их часто называют операционными трансформирующими усилителями (ОТУ). Фактически ОУ состоит из ОТУ и выходного каскада, согласованных по режиму и диапазонам сигналов, имеющих общий источник опорных напряжений. Во входном каскаде и или в промежуточном могут использоваться каскодные схемы.
В некоторых применениях в ОУ используют более двух усилительных каскадов, но в этом случае приходится усложнять цепь компенсации.