АНАЛОГОВАЯ МИРОЭЛЕКТРОНИКА 1 страница

1. Цифровые ИС (дискретные);

2. Аналоговые ИС (линейные).

 

Аналоговые ИС:

операционные усилители, компараторы, перемножители и сумматоры, элементы радиоприемных устройств, интегральные стабилизаторы и др.

 

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

 

ОУ – усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению: К0=(103…106) и дифференциальный вход.

 

Усилитель мощности
UВЫХ
Усилитель напряжения
Дифференциальный каскад
UBX1
UBX2
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

 

 

ИЗОБРАЖЕНИЕ ОУ

Традиционное
Современное
Вх.1 Вх.2
+UП -UП
 
FC
NC
Входные сигналы  
Питание  
Выходной сигнал  
Частотная коррекция  
Амплитудная коррекция  
По ЕСКД

Два входа: - инвертирующий «+» или «ο»;

- неинвертирующий.

При работе в линейном режиме выходное напряжение возрастает при уменьшении напряжения на инвертирующем входе (е-) или при увеличении напряжения на неинвертирующем входе (е+).

е- ↓ е+


UВЫХ↑ →

 

Питание: двуполярное (±3…±15)В.

ОУ усиливает разность между входными сигналами е+ и е- :

Δе=е+- - дифференциальный входной сигнал.

UВЫХ0•Δе

Синфазный входной сигнал UВХ.СФ – сигнал одинакового происхождения (помеха, постоянный уровень и т.п.), присутствующий одновременно на обоих входах.

ЕСФ

 


Численное значение:

ОСОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОУ

Электрические:

1. Коэффициент усиления по напряжению – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного дифференциального напряжения при работе на линейном участке характеристики:

.

Напряжение смещения (еСМ)

– дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение равно нулю. Возникает из-за неидеальности элементов усилителя, особенно различных характеристик входов:

биполярные еСМ=(3…10) мВ;

полевые еСМ=(30…100) мВ.

3. Средний входной ток iВХ

– среднеарафметическое значение токов i+ и i- , измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение равно нулю. У ОУ с диф. каскадом на биполярных транзисторах iВХ=(0,01…1) мкА.

4. Разность входных токов ΔiВХ

– абсолютное значение разности входных токов, ΔiВХ=| i+ и i-| , когда UВЫХ=0. Характеризует несимметричность дифференциального каскада. Обычно ΔiВХ=(0,2…0,5) iВХ.

5. Входное сопротивление – 2 типа:

- сопротивление для дифференциального сигнала RВХ. ДИФ. – сопротивление между входами ОУ: RВХ. ДИФ≥(103…106) Ом.

- сопротивление для синфазного сигнала RВХ. СФ. – сопротивление между одним из входов и общей шиной (землей): RВХ. СФ.≈100 Мом.

6. Коэффициент подавления синфазного сигнала МСФ – отношение коэффициента усиления К0 к коэффициенту передачи синфазного сигнала КСФ

, где

Значения в линейном масштабе МСФ=(103…105),

в логарифмическом

,

где .

7. Выходное сопротивление

– RВЫХ= (10…1000) Ом.

8. Минимальное сопротивление нагрузки – Rн.мин.=(1…2) Ком.

 

Частотно – временные:

1. Частота единичного усиления f1 – частота, на которой коэффициент усиления равен 1.

K
K0 -
f1
f
1 -

 


2. Максимальная скорость нарастания выходного сигнала V

– определяется при поступлении на вход ОУ единичного скачка (прямоугольного импульса):

, V=(0,3…50) В/мкС.

UВХ
t0
t
UВЫХ
t0
t
Δt
ΔUВЫХ

 

 


Температурные:

1. Температурный дрейф напряжения смещения ΔеСМ

– изменение напряжения смещения при изменении температуры кристалла на 1°К.

Для ОУ с дифференциальным каскадом на

-биполярных транзисторах ΔеСМ=(5…50)мкВ/К°;

- полевых или составных ΔеСМ=(20…100)мкВ/К°.

2. Температурный дрейф коэффициента усиления – в полнм диапазоне температур К0 может меняться в 3…5 раз.

 

 

СХЕМОТЕХНИКА НА ОСНОВЕ ОУ

 

При создании различных устройств ОУ используются исключительно с обратными связями, т.к. без ОС параметры ОУ очень не стабильны и не предсказуемы.

ОС – это процесс передачи выходного сигнала на вход, где он суммируется с входным сигналом (ПОС) или вычитается из него (ООС).

ОС бывают: - линейные;

- нелинейные;

- частотно-зависимые;

- комбинированные;

- последовательные;

- параллельные и др.

 

Масштабирующие усилители

Масштабирование – это изменение размера какой-либо величины (напряжения) с заданным коэффициентом.

При построении масштабирующих усилителей ОУ дополняется параллельной или последовательной линейной отрицательной ОС.



 

1. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

ОУ охватывают параллельной ООС

Напряжение ОС подается на вход параллельно входному сигналу
U1
e-
K0
I1
U2
R2
R1
e+
Δe
I2
А

 

 


Для анализа введем понятие идеального усилителя:

К0=∞; RВХ=∞; iВХ=0; еСМ=0.

В инвертирующем усилителе происходит запланированный фазовый сдвиг сигнала на 1800, т.е. его инвертирование
Запишем

,

 

получаем
.

Учитывая, что К0=∞,

 

можно записать ,

а также , т.к. - заземлена.

Таким образом, потенциал т. А равен нулю – но это «ВИРТУАЛЬНЫЙ» ноль, т.к. эта точка не заземлена.

Ток I1 через резистор R1 равен

, т.к. φА=0

Ток I2 через резистор R2 равен

.

По закону Кирхгофа с учетом того, что iВХ=0,

можно считать ,

а так же .

В результате коэффициент передачи (усиления) инвертирующего усилителя будет равен

.

Изменяя соотношение можно регулировать коэффициент усиления (рекомендуется изменять R2).

 

Для реального ОУ примем:

К0≠∞, Δe≠0, iВХ=0.

Без доказательства получаем

,

где – коэффициент передачи цепи ООС,

 

- петлевой коэффициент усиления.

При

схема приобретает параметры идеального усилителя.

Резюме: чем больше KU , тем больше влияние неидеальности ОУ.

 

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

 

, , ,

 

.

Резюме: получение высокого RВХ.УС приводит к снижению коэффициента усиления KU и наоборот.

 

Усилитель с Т – образной ООС

Используют для получения высокого входного сопротивления при высоком коэффициенте усиления.

U1
K0
I1
U2
R2
R1
I2
R4
R3

 

 

Без доказательства запишем

.

В такой схеме соотношение номиналов резисторов почти на порядок меньше, чем в исходной.

Коэффициент усиления регулируется изменением R4.

 

 

Инвертор

U1
K0
U2
R
R

 

При получаем, или .

Т.е. входной сигнал инвертируется без изменения масштаба.

 

Усилитель – сумматор

U1
K0
I3
UВЫХ
RОС
R3
IОС
А
R2
R1
U2
U3
I1
I2

 

 

Так как , по закону Кирхгофа имеем

Откуда получаем

.

 

,

Где α, β, γ- весовые коэффициенты.

Если R1= R2= R3=R,

То

.

 

2. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Получают, охватывая ОУ последовательной ООС – напряжение ОС поступает на вход последовательно с входным сигналом.

U1
e-
K0
U2
R2
R1
e+
Δe
А
В неинвертирующем усилителе не происходит инвертирования сигнала – выходной сигнал имеет такую же полярность, как и входной.
К0=∞; RВХ=∞; iВХ=0; еСМ=0, Δе=0.  

 


Имеем ,

Вычисляем

Получаем ,

И далее .

Для реального ОУ примем:

К0≠∞, iВХ=0, Δe≠0.

Без доказательства получаем

.

Как видно из формул коэффициентов усиления для реальных усилителей не идеальность параметров оказывает одинаковое влияние в обеих схемах.

 

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Согласно закона Ома можно записать .

UВХ
e-
UВЫХ
R2
R1
e+
Δe
RВХ.ДИФ
RВХ.СФ
IВХ

Так как RВХ.СФ » RВХ.диф, то входной ток будет протекать от неинвертирующего входа к инвертирующему через RВХ.диф под действием напряжения Δе, т.е.

.

Для идеального ОУ: К0=∞; Δе=0 получаем

IВХ=0, соответственно Rвх.ус=∞.

Для реального ОУ: К0≠∞, Δe≠0, причем .

В тоже время Δе=е+-,

Где

,

.

Получаем

.

.

Таким образом, учитывая, что , входное сопротивление неинвертирующего усилителя может достигать большого значения, значительно большего, чем у инвертирующего усилителя.

 

ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

При R1=∞, R2=0 получают повторитель напряжения, для которого

U1
K0
U2
при КU=1 имеем U2= U1 и входное сопротивление

 

 

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИИТЕЛЬ С Т- ОБРАЗНОЙ ООС

 

См. схему и комментарии для инвертирующего усилителя с Т – образной ООС

 

 

 


 

КОРРЕКЦИЯ АДДИТИВНОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Наличие входных токов и напряжения смещения, которые не учитывались при анализе, могут привести к возникновению аддитивной погрешности – постоянной погрешности, не зависящей от входного сигнала.

КОМПЕНСАЦИЯ ВХОДНЫХ ТОКОВ

В инвертирующем и неинвертирующем усилителях входной ток

U1
K0
U2
R2
R1
Δe
 
 

 

вызывает падение напряжения

,

приводящее к тому, что между входами возникает напряжение Δе≠0, вызывающее в свою очередь возникновение напряжения на выходе усилителя.

Для компенсации напряжения Δе≠0 к неинвертирующему входу ОУ подключают компенсирующий резистор RK, на котором создается падение напряжения от входного тока

,

U1
K0
U2
R2
R1
Δe
 
 
RK

Аналогично для неинвертирующего усилителя

 

 


 

 

компенсирующее напряжение , т.е. .

,

Откуда находим

,

При равенстве входных токов

.

 

КОМПЕНСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

Для компенсации напряжения смещения на входы ОУ подают дополнительное компенсирующее напряжение UK.

Недостатком таких схем является сильное влияние цепей компенсации напряжения смещения на коэффициент усиления, а так же влияние входных токов ОУ.

+
R2
R1
R3
R4
-
Влияние на коэффициент усиления

 

 

+
K0
R2
R1
 
RK
R3
R4
-
Влияние входного тока

 

Для уменьшения влияния цепей коррекции на характеристики усилителя часто используют источник компенсирующего напряжения на основе ОУ – повторитель, который имеет низкое выходное сопротивление, на котором входной ток ОУ не создает падения напряжения.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
 | АНАЛОГОВАЯ МИРОЭЛЕКТРОНИКА 2 страница


Дата добавления: 2017-11-04; просмотров: 10; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2017 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.037 сек.