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.

ИЗОБРАЖЕНИЕ ОУ

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⁺).

U_ВЫХ↑ →

Питание: двуполярное (±3…±15)В.

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

Δе=е⁺-е^- - дифференциальный входной сигнал.

U_ВЫХ=К₀•Δе

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

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 (е_СМ)

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

биполярные е_СМ=(3…10) мВ;

полевые е_СМ=(30…100) мВ.

3. Средний входной ток i_ВХ

– 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 i_ВХ=(0,01…1) мкА.

4. Разность входных токов Δi_ВХ

– абсолютное значение разности входных токов, Δi_ВХ=| i⁺ и i^-| , когда U_ВЫХ=0. Характеризует несимметричность дифференциального каскада. Обычно Δi_ВХ=(0,2…0,5) i_ВХ.

5. Входное сопротивление – 2 типа:

- сопротивление для дифференциального сигнала R_{ВХ. ДИФ.} – сопротивление между входами ОУ: R_{ВХ. ДИФ}≥(10³…10⁶) Ом.

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

6. Коэффициент подавления синфазного сигнала М_СФ – отношение коэффициента усиления К₀ к коэффициенту передачи синфазного сигнала К_СФ

, где

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

в логарифмическом

,

где .

7. Выходное сопротивление

– R_ВЫХ= (10…1000) Ом.

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

Частотно – временные:

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

2. Максимальная скорость нарастания выходного сигнала V

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

, V=(0,3…50) В/мкС.

Температурные:

1. Температурный дрейф напряжения смещения Δе_СМ

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

Для ОУ с дифференциальным каскадом на

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

- полевых или составных Δе_СМ=(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

Для анализа введем понятие идеального усилителя:

К₀=∞; R_ВХ=∞; i_ВХ=0; е_СМ=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. φ_А=0

Ток I₂ через резистор R₂ равен

.

По закону Кирхгофа с учетом того, что i_ВХ=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, i_ВХ=0.

Без доказательства получаем

,

где – коэффициент передачи цепи ООС,

 

- петлевой коэффициент усиления.

При

схема приобретает параметры идеального усилителя.

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

 

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

 

, , ,

 

.

Резюме: получение высокого R_ВХ.УС приводит к снижению коэффициента усиления K_U 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≠∞, i_ВХ=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 R_ВХ.СФ » R_ВХ.диф, то входной ток будет протекать от неинвертирующего входа к инвертирующему через R_ВХ.диф под действием напряжения Δе, т.е.

.

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

I_ВХ=0, соответственно R_вх.ус=∞.

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

В тоже время Δе=е⁺-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 К_U=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 R_K, 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 U_K.

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.