Операционные усилители

Усилители

Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны вход­ные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частот­ные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточ­ные усилители с коэффициентами уси­ления по напряжению до 10000, а по току до 1 000000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. В настоящее время чаще всего используются усилители, по­строенные на основе ОУ и пассивных дискрет­ных компонентах.

Операционные усилители

Составной частью практически всех современных усилительных схем являются операци­онные усилители (ОУ), которые могут быть интегрированными (монолит­ными) или гибрид­ными (состоящими из монолитных и дискретных частей). В состав интегрированного ОУ входят сотни транзисторов, резисторов и конденса­торов. Разработчики аналоговых устройств, меняя подключение дискретных ком­понентов к выводам ОУ, реализовали большое количество полезных схем (не толь­ко усилительных). На основе ОУ строятся специализированные ИС, часто назы­ваемые интегральными схемами прикладной ориентации (ASIC).

На рис. 5 показано схематичное представление ОУ. Типовой OУ, как прави­ло, обладает следующими характеристиками:

· Двумя входами: инвертирующим (-) и неинвертирующим (+)

· Высоким входным сопротивлением (порядка сотен МОм и даже ГОм)

· Низким выходным сопротивлением (доли Ома)

· Способностью работать с емкостной нагрузкой

· Низким входным напряжением смещения ео (несколько мВ и даже мкВ)

· Низким входным током смещения io (несколько пА и даже меньше)

· Очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной свя­зи (ОС) AOL (104 ...106 и даже выше). Этот коэффициент показывает, во сколько раз ОУ увеличивает раз­ность напряжений между двумя входами

· Высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). КОСС показывает, насколько эффективно ОУ подавляет синфазные сигналы оди­наковой амплитуды VCM, од­новременно поданные на оба входа

· Низким коэффициентом собственного шума

· Широким рабочим частотным диапазоном

· Низкой чувствительностью к помехам по шине питания

· Высокой стабильностью характеристик при изменении параметров окружа­ющей среды

 
 

На рис. 5А показан ОУ без цепи ОС. Такой усилитель часто называют ОУ с разомкнутым контуром ОС. В справочниках приводятся значения коэффициен­тов усиления ОУ без ОС, которые не являются постоянными во всем частотном диапазоне. Зависимость этих коэффици­ентов от частоты показана на рис. 5Б. На значения коэффициентов усиления ОУ также влияют сопротивление нагруз­ки, температура окружающей среды и флуктуации напряжения питания. ОУ без ОС практически никогда не используются, поскольку высокий коэффициент усиления приводит к не стабильной работе схемы, силь­ному температурному дрейфу характеристик, по­вышенному шуму и т.д. Напри­мер, при коэффициенте усиления ОУ без ОС, равном 105, вход­ной дрейф напря­жения в 10 мкВ вызовет дрейф выходного напряжения порядка 1 В.

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания характеризует спо­собность ОУ усиливать высокочастотные сигналы малой амплитуды. Это произве­дение равно частоте f1, при которой коэффициент усиления ОУ становится равным 1, т.е. ОУ перестает уси­ливать сигнал.

 
 

На рис. 6А показан неинвертирующий усилитель. В этом усилителе цепь ОС сформирова­на двумя резисторами: R1 и R2. Результирующий коэффициент усиления такого усилителя с ОС равен: А = 1 + R2/R1. Он будет постоян­ным в более широком частотном диапазоне (см. рис. 5Б), но ограничивающая частота f1 останется такой же, как и в ОУ без ОС. Глубина ОС определяет такие параметры этой схемы, как линейность, стабильность коэффициента усиления и выход­ной импеданс, которые теперь в основном зависят от характеристик компонентов ОС. Для по­лучения высокой точности необходимо обеспечить выполнение следующего правила: коэффи­циент усиления ОУ без ОС должен быть, по крайней мере, в 100 раз больше коэффици­ента усиления ОУ с ОС на самой высокой рабочей частоте. Для более высокой точности это отно­шение должно быть равно 1000 и даже больше.

ОУ усиливают не только полезные сигналы, но и паразитные напряжения и токи, попа­дающие на их входы (рис. 6Б). Поэтому в справочной литературе для них обычно приводятся технологические допуски на значения токов и напряже­ний смещения.

Из-за напряжений и токов смещения выходной сигнал интерфейсной схемы при нулевом входном сигнале практически никогда не бывает равным нулю. В схе­мах, работающих с посто­янными или медленно меняющимися сигналами, серьез­ной проблемой является освобождение полезного сигнала от этих нежелательных компонентов. На практике величину напряжения смещения регулируют двумя спо­собами: непосредственно на ОУ (если в нем предусмотрены регулировочные выво­ды) или при помощи независимых внешних компенсационных цепей.

Величину выходного напряжения смещения можно определить из выражения:

V0 = A(eo + ioReqv),

где Reqv - эквивалентное входное сопротивление, состоящее из выходного сопро­тивления датчика и входного сопротивления усилителя; ео - входное напряжение смещения, а io - входной ток смещения.

Величина смещения тока и напряжений зависит от температуры. В схемах, где ОУ работа­ет с большим коэффициентом уси­ления, выходное напряжение смещения может служить источником серьезных погрешностей. Существует несколько способов решения этой пробле­мы. Одним из них является выбор ОУ с низким значением тока и напряжения смещения, а также высоким входным сопротивлением. Для эффективного снижения напряжения смещения также применяются усилители постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала.








Дата добавления: 2016-04-19; просмотров: 1078;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.004 сек.