Цифровые интегральные микросхемы Микроэлектроника - (стр. 16 из 19)
Двухкаскадный ОУ разработан несколько позже после реализации на одной подложке высококачественных интегральных транзисторов разной проводимости. В таком ОУ первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального усилителя напряжения. Каскад сдвига уровняв такой схеме ОУ не нужен, так как выходные сигналы первого каскада, построенного по специальной схеме, находятся практически под нулевыми потенциалами. Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения работающего в режиме больших сигналов (близких по амплитуде к величине напряжения питания) и эмиттерного повторителя.
Таким образом ОУ – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к «идеальному усилителю» для которого характерно:
·бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (А®¥),
·бесконечно большое полное входное сопротивление (Zвх®¥),
·нулевое полное выходное сопротивление (Zвх®0),
·равенство нулю выходного напряжения (Uвых = 0) при равных напряжениях на входах (Uвх1 = Uвх2),
·бесконечно широкая полоса пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).
На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено в полной мере, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Условное изображение усилителя приведено на рис. 72.
Если в ОУ неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал на выходе будет сдвинутым по фазе относительно него на 180°.
Если же инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то выходной сигнал будет совпадать по фазе с входным.
Основные параметры операционного усилителя
Коэффициент усиления без обратной связи (А). Коэффициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи обычно равен 103 – 107.
Входное напряжение сдвига (Uсдв.). Нежелательные напряжения, возникающие внутри усилителя, служащие причиной появления на его входе некоторого ненулевого напряжения при нулевом напряжении на обоих входах является следствием неточного согласования напряжений эмиттер–база входных транзисторов. Uсдв. называют входным, так как определяют его через то напряжение, которое надо приложить ко входам, чтобы на выходе установился 0 В. Обычно Uсдв. равно сотые доли – единицы милливольт.
Входное сопротивление Rвх. Сопротивление усилителя по отношению к входному сигналу. В зависимости от типа используемых транзисторов во входном ДУ Rвх лежит в диапазоне десятых долей – десятков МегаОм.
Выходное сопротивление Rвых. Обычно Rвых не превышает нескольких сотен Ом.
Максимальное выходное напряжение Uвых max. Его значение обычно на 1…5 В ниже напряжения питания.
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Ко.сн.. Этот коэффициент определяется как отношение коэффициента усиления для дифференциального сигнала Ад к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ас и равен обычно 60…120 дБ (Ко.сн..= 20 lgАд/ Аc).
Примечание:
Указанные выше параметры заданы для случая входных сигналов нулевой частоты и называются статическими параметрами.
Максимальная скорость нарастания выходного напряженияVmax. Максимальная скорость изменения выходного напряжения
достигает единиц – сотен В/мкс.Время установления выходного напряжения tуст. Характеризуется временем в течение которого выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения ступенчатой формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.
Параметры Vmax, tуст относятся к динамическим параметрам, так как они характеризуют ОУ при изменяющихся входных сигналах.
9.4 Типовые включения ОУ
Неинвертирующий усилитель
Схема усилителя приведенная на рис. 73. позволяет использовать ОУ в качестве неинвертирующего усилителя коэффициент усиления которого определяется внешними сопротивлениями R1, Rос.
Рис. 73. Неинвертирующий усилитель
Чтобы получить выражение для коэффициента усиления данной схемы примем, что входное сопротивление ОУ
, а его коэффициент усиления Ад также бесконечно большое т. е. Ад®¥. Следовательно можно считать, что Iсм» 0 и поэтому 
и Uд» 0 так как Uд= Uвых /Ад.Имеем
и 
. Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно Uвх + Uд, поэтому 
.Откуда
.С учетом малости Uд можно записать
Uвх / R1 = (Uвых – Uвх) Rос
Решая полученное уравнение относительно
,получим
.Коэффициент Kocназывают коэффициентом усиления замкнутого усилителя. Полученное выражение верно когда Ад >>Koc.
В первом приближении входное сопротивление неинвертирующего усилителя со стороны источника сигнала весьма велико
,а выходное – мало
, где 
–коэффициент обратной связи, Адо – коэффициент передачи ОУ на низких частотах.
Частным случаем неинвертирующего включения ОУ является схема повторителя напряжения (рис. 74), обладающего единичным усилением. Так как входное сопротивление усилителя велико, а выходное стремится к нулю, такой усилитель, являясь по существу высокоточным преобразователем импеданса, находит широкое применение в измерительных устройствах.
Инвертирующий усилитель
Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 75.
Рис. 75. Инвертирующий усилитель
Точку А на схеме называют потенциально заземленной, потому что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как Uд» 0.
Для этой схемы можно записать
и 
,откуда
.Знак минус в правой части означает, что выход инвертирован. Полагая Uд» 0, получим
.Коэффициент усиления замкнутого инвертирующего усилителя равен
.В первом приближении входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ для входного сигнала
Rвх = R1, а выходное
.Наличие в реальном усилителе токов смещения необходимых для нормальной работы транзисторов входного ДУ вызывает появление статической ошибки
Uсдв вых = Iсм1×(R1 // Roc)×Ад.
Поскольку токи смещения обоих входов ОУ приблизительно равны данную ошибку можно уменьшить подключением к неинвертирующему входу ОУ компенсирующего резистора
Rк =R1 // Roc(рис. 76).
Рис. 76. Сбалансированный по входам инвертирующий усилитель
Дифференциальное включение ОУ
Дифференциальный усилитель (рис. 77) представляет собой комбинацию инвертирующей и неинвертирующей схем.
Рис. 77. Дифференциальный усилитель
С учетом Iсм» 0 и Uд» 0 составим систему уравнений
, 
, 
и, решая ее относительно выходного напряжения, получим:
.Обычно в такой схеме
, 
,поэтому можно записать
.