Разработка измерительного аналогового преобразователя (стр. 2 из 4)
Рисунок 2 - Обозначение ОУ
Входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, так что в целом ОУ имеет два входа - инвертирующий и неинвертирующий. На схемах инвертирующий вход обозначается кружком (иногда неинвертирующий вход обозначается знаком «+», а инвертирующий - знаком «-»). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с напряжением на неинвертирующем входе и в противофазе с напряжением на инвертирующем. Оно определяется разностью входных напряжений:
где, KU- дифференциальный коэффициент усиления ОУ.
Разность входных напряжений
называется дифференциальным входным напряжением.
Полусумма входных напряжений
называется синфазным входным напряжением.
Иногда синфазным называют также напряжение на неинвертирующем входе.
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное напряжение питания. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Чаще всего интегральные операционные усилители рассчитаны на напряжение питания ±15 В, хотя существует немало моделей, которые питаются от источников как существенно большего, так и заметно меньшего напряжения. Для упрощения схем на ОУ иногда не указываются выводы питания.
Операционный усилитель почти всегда используется с некоторыми внешними элементами, которые в конечном итоге определяют назначение и параметры электронной схемы.
Параметры ОУ.
1. Коэффициент усиления KU - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:
Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 103-106
2. Напряжение смещения есм- дифференциальное входное напряжение , при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение есм для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3-10 мВ. У тех ОУ, у которых входной каскад строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30-100 мВ.
Типичная зависимость выходного напряжения от входного для интегрального ОУ показана на рисунке 5. На этом рисунке поясняется смысл параметров КU и есм. Напряжение есм может иметь любую полярность.
3. Средний входной ток iвх - среднеарифметическое значение токов Н- и И-входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении Uвх, при котором выходное напряжение Uвых равно нулю. Средний входной ток интегральных усилителей с входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0,01 - 1 мкА. Дальнейшее снижение входных токов (до 1 нА и меньше) достигается при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.
4. Разность входных токов ∆iвх- абсолютное значение разности токов двух входов усилителя iвх.н - iвх.и, измеренных тогда, когда напряжение на выходе усилителя равно нулю. Этот разностный ток в значительной степени говорит о том, насколько велика несимметрия входного каскада ОУ. Если значение ∆iвх близко к нулю, то влияние входных токов iвх.н и iвх.и на входное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к Н- и И-входам ОУ. Обычно ∆iвх составляет 20-50 % iвх.
5. Входное сопротивление rвх -сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для ифференциального сигнала, с тем чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала. Входное сопротивление ОУ может составлять 103-106 Ом и более.
6. Входное сопротивление для синфазного сигнала rcф определяют как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего тока усилителя. Величина rсф обычно на 1-2 порядка и более превышает rвх.
7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Мсф - отношение коэффициента усиления КU к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения. Часто употребляется логарифмическая мера для определения коэффициента слабления синфазного сигнала М’сф= 20lg|Mcф|. Обычно для интегральных ОУ величина М'сф = 60 … 100 дБ.
8. Коэффициент влияния нестабильности источника питания КП- отношение изменения напряжения смешения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ∆Uпит (иногда влияние нестабильности источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют раздельными коэффициентами влияния). Этот коэффициент чаще всего равен 2·10-5- 2·10-4, что соответствует 20-200 мкВ/В.
9. Выходное сопротивление ОУ rвых определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет обычно величину, лежащую в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен ом.
Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами: частотной полосой и скоростью изменения выходного сигнала.
10. Частотная полоса ОУ определяется, как правило, частотой единичного усиления f1 т. е. частотой, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f1 у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.
11. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ v определяется при подаче на его вход импульса напряжения прямоугольной формы. Для типовых интегральных ОУ максимальная скорость нарастания лежит в диапазоне 0,3-50 В/мкс. Так как наибольшая скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.
12. Температурный дрейф напряжения смещения для интегральных ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно 5-20 мкВ/К.
Для усилителей, входные каскады которых построены на полевых или на составных биполярных транзисторах, температурный дрейф напряжения смещения лежит в диапазоне 20-100 мкВ/К.
13. Температурные изменения входных токов ОУ имеют различный характер в зависимости от типа транзисторов, использованных во входных каскадах.
В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах входной ток уменьшается при увеличении температуры.
При увеличении температуры от 20 до 125 °С входной ток ОУ на биполярных транзисторах уменьшается почти в три раза и примерно во столько же раз возрастает при уменьшении температуры от 20 до - 60 °С.
В усилителях, входные каскады которых выполнены на полевых транзисторах, входной ток возрастает с увеличением температуры.
В этом случае входной ток - это в основном ток запертого р-n-перехода, который, как известно, возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10 К.
14. Температурный коэффициент коэффициента усиления ОУ может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от температуры и типа ОУ.
В полном диапазоне допустимых температур окружающей среды коэффициент усиления ОУ изменяется обычно не более чем в 3-5 раз.
Расчёт усилителя.
Пусть необходимо усиливать сигнал с выхода моста постоянного тока с. Выходной ток должен быть ± 5 мА при изменении освещенности от 0 до 1200 лк. Напряжение питания ±20 В (двуполярное). Требуется изобразить принципиальную схему и определить номиналы использованных элементов.
Для данного примера будем использовать мост, рассчитанный в примере главы 1. В нём применены резисторыМЛТ-0,125-20 кОм и фоторезистор СФ3-1А . При напряжении питания 20 В выходное напряжение моста будет изменяться от 0до 8,18 В при изменении освещенности от 0 до 1200 лк.
Используя результаты расчёта моста постоянного тока можно подобрать усилитель. Если бы выходное напряжение моста изменялось относительно нулевого провода, то можно было бы использовать неинвертирующий или инвертирующий усилитель (при двуполярном питании). В нашем случае входное напряжение усилителя – разность потенциалов диагоналей моста. Поэтому для усиления сигнала используем дифференциальный усилитель.
Операционный усилитель выбираем по следующим критериям:
1. Напряжение питания ОУ. Должно соответствовать напряжению питания разрабатываемого устройства (согласно заданию).
2. Напряжение смещения ОУ eсм. Должно быть существенно меньше входного сигнала.
3. Скорость нарастания выходного напряжения v. Она определяет верхнюю рабочую частоту фильтра:
4. Входной ток iвх. При протекании входного тока ОУ через резисторы фильтра будет создаваться падение напряжения, искажающее входной сигнал.
В нашем случае Uпит =±20 В. Входное напряжение (0…8,18 В) существенно превышает напряжение смещения практически любого ОУ, поэтому второй критерий не существенен и третий критерий также не существенен.
Через резисторы моста течёт ток 0,91 мА и чтобы токи резисторов дифференциального усилителя не влияли на напряжение моста, надо чтобы ток через них был в 10…50 раз меньше тока резисторов моста, а их сопротивление было больше во столько же раз.