Операционный усилитель

Операционный усилитель по принципу действия сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако в то время как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи. Операционные усилители выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

На рис.1.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа.

Рис.1.1 Схемное обозначение операционного усилителя.

В области низких частот выходное напряжение U_a находится в той же фазе, что и разностьвходных напряжений Р-вход называется неинвертирующим и на схеме операционного усилителя обозначается знаком "плюс". N-вход является инвертирующим и обозначается на схеме знаком "минус".

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется двухполярное питающее напряжение U_П.

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя K=U_a /U_D имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 10⁴ до 10⁵. Он называется также собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т.е. усиления при отсутствии обратной связи.

Передаточная характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционною усилителя некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля U₀. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю. Для этого во многих интегральных схемах предусмотрены специальные клеммы .

В дальнейшем будет предполагаться, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и равно нулю. Тогда: U_a=KU_D=K (U_P-U_N). Таким образом, в пределах динамического диапазона выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности входных напряжений.

Если ввести последовательную обратную связь по напряжению, то коэффициент усиления такого усилителя имеет вид:

где K - коэффициент усиления усилительного каскада при отсутствии обратной связи, K_{ф -} коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи.

операционный усилитель активный фильтр

При KK_Ф>>1 коэффициент усиления охваченного обратной связью усилителя К_А 1/K_Ф. Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется только обратной связью и не зависит от параметров самого усилителя.

При выборе ОУ необходимо учитывать диапазон частот фильтра: частота единичного усиления ОУ (на которой коэффициент усиления равен единице) должна быть больше произведения частоты среза и коэффициента усиления фильтра K_у.

Поскольку коэффициент усиления по заданию равен единице, а частота среза 3 кГц, то этому условию удовлетворяют почти все существующие ОУ.

Другим важным параметром ОУ является его входное сопротивление. Оно должно быть больше десятикратного максимального сопротивления резистора схемы.

Максимальное сопротивление в схеме равно 5 кОм, следовательно входное сопротивление ОУ должно быть не менее 50 кОм.

Так же необходимо учитывать нагрузочную способность ОУ. Для современных ОУ минимальное сопротивление нагрузки составляет 2 кОм. Учитывая, что сопротивление R1 и R4 равно 5 кОм, выходной ток операционного усилителя будет заведомо меньше максимально допустимого.

В соответствии с вышеприведёнными требованиями выбираем ОУ К140УД7А со следующими паспортными данными (характеристиками):

U_п = ±15 В

K_у.min = 50 000

R_вх = 0.4 МОм

F_ед.ус. = 0.8 МГц

Расченая часть (Л. Фолькенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС. 1985.):

Из таблицы коэффициентов передаточных функций фильтра находим f(3дб)/f(ср) = 0,978 приблизительно = 1

Выберем C = С1 = С2 1нФ

Из соотношения: fср = 1/2пRC имеем R = 1/ fср 2пC = 1/2п(16кГц)(1нФ) = 9.952 кОм

Используем R = R1 = R2 = 9.952 кОм +(-) 2%

Также доказуема приблизительная разница конденсаторов отношением:

a1 = 1.3397

b1= 0.4889

Отношение равно 1.09 т.е. конденсаторы можно допустить равными.

Отсюда получаем значения равные:

R1 = 10 кОм С = 1нФ

R2 = 10 кОм С = 1нФ

R3 = 10 кОм С = 1нФ

R4 = 10 кОм С = 1нФ

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ

Тип резистора	Параметры и единица измерения	Тип резистора	Значение параметра	Условия установления норм на параметры
Rном	Номинальное сопротивление, Ом	РК133-5000		Тк = 25° С
Рном	Номинальная мощность, Вт, не менее	То же		Тк = 85° С
Uкр	Критическое импульсное напряжение, В, не менее	-"-		Тк = 85° С
Тr	Температура резистивного элемента, ° С: максимально допустимая минимально допустимая	-"-	125 –60
Тstg	Температура хранения, ° С: максимально допустимая минимально допустимая	-"-	50 –60

Технические данные трехфазных конденсаторов на напряжение до 1 000 в

Тип	Номинальные данные	Испытательное напряжение при частоте 50 Гц, к в	Вес, кг, *10%	размеры, мм
Напряжение, в	Емкость, мкф	Мощность, КВар	на корпус	между выводами ^
КМ 1-0,5		165,0	13,0	2,5	1,1		370X130X472
КМ 1-0,5		165,0	13,0	2,5	1,1		370X130X472
КМ 1-0,5		165,0	13,0	2,5	1,1		370X130X472
КМ 1-0,5		165,0	13,0	2,5	1,1		370X130X472

5.Моделирование.

Данные:
Коэффициент усиления: > 1.5

Порядок фильтра: 4

Тип фильтра: Бесселя

Напряжение питания ОУ: 6В

Схема активного фильтра низких частот на ОУ четвертого порядка.

Рисунок 1. Схема.

Рисунок 2. Осциллограмма действия активного фильтра.

Рисунок 3. Плоттер Боде, с частотой среза 16 кГц

Рисунок 4. Плоттер Боде с полосой пропускания f = 1.288 кГц

Рисунок 5. Плотер Боде с полосой подавления f = 32.486 кГц

Заключение:

Смоделировав схему, мы пришли к выводу, что данный активный фильтр выполняет свою задачу и усиливает сигнал в соответствии с условием задания.

Список литературы:

1. Ханзел Г.Е. Справочник по расчету фильтров. М., 1974.

2. Двинских В.А., Олейник Н.Г. Расчет линейных пассивных фильтров с сосредоточенными параметрами. Саратов. 1983.

3. У. Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника, 1982.