Инвертирующая и неинвертирующая схемы включения ОУ

Понятие обратной связи и ее использование

Усилители мощности

Каскады усиления мощности обычно являются выходными каскадами, к кот. подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. Каскады усиления мощности отличаются большим разнообразием. Они могут выполнятся на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ общая база, ОЭ общим эмитором, ОК общий коллектор. По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть трансформаторными и бес трансформаторными. В усилителях мощности нашли применение три класса усиления: класс А, класс В, и класс АВ, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки по пост. току. Особенности указанных классов покажем на примере коллекторных характеристик транзистора ОЭ.

Режим класса А используются в так называемых однотактных каскадах усиления мощности.

Режим класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый из транзисторов служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Этот класс обладает более высоким КПД и применяется на более высоких мощностях, чем одноактный.

Режим класса АВ позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения вход. сигнала, сильно проявляющиеся в режиме класса В вследствие нелинейности начального участка вход. характеристики транзисторов.

Избирательные усилители

Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотная характеристика должна обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы. Полоса пропускания избирательного усилителя 2∆=f_в – f_н определяется на уровне K_Um/ , где K_Um- коэффициент усиления при резонансной частоте f₀. Отношение боковых частот для таких усилителей f_в/ f_н = 1,001 1,1. Селективность (полезность) усилительных свойств оценивают добротностью Q=f₀(2∆f).

Частотная избирательность рассматриваемых усилителей создает высокую помехозащищенность систем, работающих на фиксированных частотах, что широко используется в устройствах автоматического управления контроля.

Компаратор

Компаратор– устройство, которое включено без обратной связи. Предназначено для сравнения двух электрических напряжений, различают инвертирующий и неинвертирующий компаратор.

Инвертирующий

У реального компаратора при U₀=U_вх на выходе появляется т.н. дребезг напряжения, т.е. переключение в и обратно, с непредсказуемой частотой.

Неинвертирующий

Интегральные компараторы

Интегральным компаратором называется устройство выходной сигнал, которого согласован по уровню напряжениями, используемыми в цифровой технике для отображения сигналов логических нуля и единицы. Такие схемы появились, поскольку схемы сравнения на ОУ хотя и могут обеспечить высокую точность сравнения входных напряжений и сформировать на выходе сигналы необходимых (цифровых) уровней, но требуют для этого введения большёго числа дополнительных элементов и, как правило, не могут обеспечить нужного быстродействия.

Быстродействие компараторов принято характеризовать их временем восстановления t_BOc Это время измеряется при подаче на его входы некоторых стандартных сигналов: на неинвертирующий вход подается постоянное напряжение 0,1 В, а на инвертирующий вход — напряжение той же полярности, но с амплитудой, превышающей уровень 0,1 В на величину напряжения восстановления U_вос = 5 мВ. В этом случае время восстановления определяя как временной интервал между моментом равенства напряжений на входах компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет некоторого порогового уровня U_nop (рис. 9.12), которое определяется уровнем срабатывания логических схем.

Как следует из рис. 9.12 t_B0C можно разбить на два интервала: время задержки t₃, в течение которого выходное напряжение компаратора остается неизменным, и время нарастания t_H, причем t₃ >> t_H. Объясняется это тем, что нормальным режимом работы транзисторов ОУ является их работа в активной области. При использовании ОУ в режиме сравнения напряжений, так как оу | > | U_Btix max | /Кио, то его транзисторы попадают в режим насыщения, что сопровождается накоплением в базовых областях избыточного заряда неосновных носителей.

Рис.9.12. Определение времен становления компаратора: Uвх н, "вх и — напряжения на неин- вертирующем и инвертирующем входах; t/пор, W — пороговое направление и напряжение лог. 1 цифра схем

Рассасывание этого заряда требует значительного времени, что и снижает быстродействие схемы сравнения на ОУ общего применения. Поэтому при разработке интегральных компараторов применяют специальные схемотехнические решения, направленные на предотвращение работы транзисторов схемы с заходом в область насыщения. Такое решение позволяет снизить t_BOc интегральных компараторов до сотен наносекунд.

В табл. 9.1 приведены типовые параметры наиболее распространённых интегральных компараторов напряжения, которые характеризуются теми же параметрами, что и ОУ общего применения. Поэтому при формировании требуемого вида их передаточной характеристики возможно использование всех ранее рассмотренных схемотехнических решений для ОУ.

Из сказанного можно определить области применения компараторов различных типов.

Компараторы на ОУ общего применения обычно используются при разработке высокоточных схем сравнения, работающих с медленно изменяющимися входными сигналами.

Интегральные компараторы применяются тогда, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие разрабатываемых уст­ройств, при этом в зависимости от конкретных требований используют стандартные высокоточные или высокоскоростные компараторы.

Операционный усилитель (ОУ). Основные понятия идеального и реального ОУ

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

a) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых /(U₁ - U₂) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);

b) нулевое напряжение смещения нуля U_см, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ U_см, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

c) нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);

d) нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

e) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

f) мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

Как будет показано ниже, операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться, по крайней мере, вплоть до частоты единичного усиления f_т, т.е. такой частоты, при которой |KU| =1. На рис. 3 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного операционного усилителя.

Рис. 3. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

Здесь K_U - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты f_п, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления K_U обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

|K_U| f = |K_U| f_п = f_т

На частоте f_т модуль дифференциального коэффициента усиления |K_U| = 1. Как следует из последнего выражения, частота f_т равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Инвертирующая и неинвертирующая схемы включения ОУ

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5).

Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ

(8)

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6)

U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим: (9)

Рис. 6. Неинвертирующее включение ОУ

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному сигналу. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: