Интегральные операционные усилители

Операционный усилитель представляет собой интегральную полупроводниковую схему, выполненную единым технологическим приемом, и состоящую из нескольких десятков полупроводниковых транзисторов. Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов ОУ называется инвертирующим, так как при подаче сигнала на его вход сигнал на выходе оказывается противоположного знака. Другой вход называется неинвертирующим, так как при подаче сигнала на этот вход, усиленный сигнал на выходе оказывается того же знака. Благодаря наличию инвертирующего и неивертирующего входов сигнал на выходе ОУ пропорционален разности сигналов на его входах. Это обстоятельство позволяет ослаблять синфазные промышленные помехи, воздействующие одновременно на оба входа ОУ. Одиночный ОУ ослабляет синфазную помеху на 40 дБ. Схема из трех операционных усилителей ослабляет синфазные помехи на 90 дБ. Поэтому операционные усилители включаются на входах всех измерительных устройств, предназначенных для работы в цехах промышленных предприятий, в которых уровень промышленных помех может достигать 120дБ над уровнем собственных шумов датчиков и усилителей сигналов. Операционные усилители включаются также на входах аналогоцифровых преобразователей, используемых для ввода информации от контрольно-измерительных систем в ЭВМ. Промышленностью выпускаются также операционные усилители с мощность выходного сигнала до 100Вт.Операционные усилители этого типа используются для управления маломощными исполнительными устройствами автоматики и часто включаются на выходах цифроаналоговых преобразователей. В случае, если выходная мощность ОУ недостаточна для управления исполнительным устройством, на его выходе включаются дополнительные усилители мощности на мощных биполярных транзисторах (см. раздел 5.2.).

Принципиальная схема операционного усилителя (ОУ) приведена на рис. 5.13.

Рис.5.13. Схема операционного усилителя, охваченного

отрицательной обратной связью

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Для этого часть напряжениея с его выхода (U вых) подается через сопротивление Ro.c. на инвертирующий вход усилителя. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления ОУ, расширяет динамический диапазон его амплитудной характеристики. увеличивает полосу пропускания. При этом коэффициент усиления по напряжению (Кu о.с.) приближенно определяется выражением: Кu.о.с.=Rо.с./Rг, где Rг- внутреннее сопротивление источника сигнала, Rо.с.-сопртивление, включенное в цепи обратной связи.

Величина сопротивления, включаемого в цепи обратной связи усилителя выбирается таким образом, чтобы обеспечить без искажений усиление сигналов, подаваемых на входы усилителя. На рис.5.14. для примера приведена амплитудная характеристика операционного усилителя типа КР544УД2В для случая, когда напряжения источника питания (Eп), равны + I2 B и –12В.

Рис.5.14. Амплитудная характеристика операционного усилителя КР544УД2Б

На рис.5.14. приведена амплитудно-частотная характеристика того же усилителя.

Рис.5.15.Амплитудно-частотные характеристики операционного

усилителя без (а) и с отрицательной обратной связью (б).

Амплитудно-частотная характеристика построена для ОУ типа КР544УД2Б с коэффициентом Ku.о.=10000 (80дб) и значением максимальной частоты на которой коэффициент усиления по напряжению равен 0 дБ - f ₁ =15 МГц.

На этом же рисунке построена амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя с отрицательной обратной связью для случая, когда Кu.о.с.=100,(40дБ). Для построения этой характеристики точка "г"} соответствующая Кuос=40 дБ, соединяется с точкой "g", в которой усиление Кu.о.с. на Здб меньше, т.е. равно 37 дБ, а точка "g" соединяется с точкой "в".

На рисунке показаны полосы пропускания усилителях на уровне ∆f-3дБ , равные соответственно 1,5 кГц; для ОУ без обратной связи и 150 кГц для ОУ при замкнутой цепи отрицательной обратной связи.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ 5

1.Какие схемы включения биполярных транзисторов используются в усилителях сигналов?

2.Какой принцип работы и устройство биполярного транзистора?

3.Как определить входное сопротивление биполярного транзистора по входным статическим вольтамперным характеристикам?

4.Чем объясняется низкий уровень собственных шумов канальных транзисторов?

5.Как зависит ток стока МДП - транзистора от напряжения затвор- исток?

6.Почему мала мощность, потребляемая КМПД - транзистором от источника питания?

7.Чем объясняется большая величина входного сопротивления канальных транзисторов?

8.Поясните принцип действия и назначение фильтра нижних частот. Какие типы фильтров нижних частот вы знаете?

9. Как зависит от частоты амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя?

10.Каким методом можно расширить динамический диапазон амплитудной характеристики усилителя?

ТЕСТ ПО ТЕМЕ 5

1.Определить коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя, если величина резистора, включенного в цепи отрицательной обратной связи, равна 10кОм, внутреннее сопротивление источника сигнала, равно 1кОм. Ответы, один из которых правильный: 2; 10; 5; 6; 8.

2.На затворы КМДП-транзистора с «п»-проводящим каналом подается импульсный сигнал положительной полярности амплитудой большей Uзи. порог. Какого знака будет импульсный сигнал в точке соединения стоков транзисторов? Ответы, один из которых правильный: отрицательной полярности; положительной полярности; сигнал будет отсутствовать.

3.Определить частоту колебаний напряжения на выходе автогенератора с кварцевым резонатором включенном в цепь положительной обратной связи, если эквивалентная индуктивность кварцевого резонатора, равна 0,1мГн, а емкость, равна 1,0 пикофарад. Ответы, один из которых правильный: 100МГц; 20МГц;16,6МГц; 1МГц.

4.Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя равен 100, сопротивление в цепи обратной связи, равно 100кОм. Чему равно внутренне сопротивление источника сигнала? Ответы, один из которых правильный: 60дБ; 40дБ; 20дБ;10дБ.

5.Определить коэффициент усиления биполярного транзистора по току, если в точке Т (см. рис 5.1.) ∆lк=10мА, а ∆lб=1мА. Ответы, один из которых правильный: 10; 20; 5;15.