Функциональные устройства на ОУ

1. Операционные усилители. Структура и функции операционных усилителей

Операционный усилитель обычно включает в себя дифференциальный каскад ДК на входе, усилитель напряжения УН и эмиттерный повторитель ЭП на выходе.

Дифференциальный каскад выполняется на полевых транзисторах для получения высокого входного сопротивления. Усилитель напряжения обычно выполняется в виде дифференциального усилителя на биполярных транзисторах для получения большого коэффициента усиления. Эмиттерный повторитель применяется для получения низкого выходного сопротивления.

Основная особенность операционных усилителей состоит в неограниченно большом коэффициенте усиления по напряжению и току, поэтому без обратных связей операционные усилители не применяются. У реальных ОУ коэффициент усиления

. Полоса пропускания ОУ не очень велика.

Кроме усиления ОУ может выполнять различные математические операции.

2. Инвертирующее и неинвертирующее включение операционных усилителей

Инвертирующее включение операционных усилителей

Цепь обратной связи образуется сопротивлениямиz1 иz2. Выходной сигнал

по цепи обратной связи подается на вход в противофазе с входным сигналом
, Тогда напряжение между входами ОУ
стремится к нулю, так как коэффициент усиления ОУ очень большой, т.е.
. Таким образом, для получения необходимого напряжения на выходе достаточно малого напряжения между входами ОУ. При этом в точке 1 по переменному напряжению практически нулевой потенциал, поэтому точку 1 называют «виртуальным нулем». Тогда токи
,
. Так как входное сопротивление ОУ велико, то
и, следовательно,
, а коэффициент передачи ОУ с цепью отрицательной обратной связи
. Если сопротивления цепи ОС – действительные, т.е.
,
, то
. Если сопротивления цепи ОС равны, то K=-1 – инвертирующий повторитель. Входное сопротивление усилителя
. Выходное сопротивление усилителя
, где
– выходное сопротивление ОУ.

Неинвертирующее включение

Напряжение обратной связи

, где коэффициент передачи цепи ОС
, тогда
. Усиливается разностное напряжение между входами ОУ. Так как коэффициент усиления ОУ очень большой, то разностное напряжение ничтожно мало, т.е.
. Тогда коэффициент передачи
.

3. Разновидности усилителей

Суммирующий усилитель

Для токов, учитывая виртуальный нуль, можно записать

, тогда, так как
,
то
, или

Как видим, получается весовое суммирование напряжений. Если все сопротивления одной величины, то получается равновесное суммирование:

Особенность суммирования состоит в том, что оно практически идеальное, так как из-за наличия виртуального нуля в точке 1 входные напряжения друг на друга не влияют.

Дифференцирующий усилитель

Коэффициент передачи

, где
,
. Тогда
. При переходе в p-плоскость (замена
) получим:
. Тогда выходное напряжение
. Умножение на p эквивалентно дифференцированию:

Таким образом, выходное напряжение равно производной входного напряжения.

АЧХ дифференцирующего усилителя:

Оценим точность дифференцирования по сравнению с пассивной дифференцирующей RC-цепью.

Пассивная RC-цепь осуществляет дифференцирование на низких частотах, пока ее АЧХ меньше единицы. В усилителе на ОУ АЧХ идет вверх в соответствии с усилением собственно ОУ. Дифференцирование получается практически идеальным, благодаря свойствам ОУ.

Интегрирующий усилитель

Коэффициент передачи

, где
,
. Тогда
. При переходе в p-плоскость (замена
) получим:
. Тогда выходное напряжение
. Деление на p эквивалентно интегрированию:

АЧХ интегрирующего усилителя

Оценим точность интегрирования по сравнению с пассивной интегрирующей RC-цепью.

Пассивная RC-цепь не осуществляет интегрирование на низких частотах. В усилителе на ОУ интегрирование на низких частотах до тех пор, пока АЧХ не достигнет уровня усиления собственно ОУ. Интегрирование получается практически идеальным, благодаря свойствам ОУ.

Логарифмирующий усилитель

Как было показано ранее, I1=I2. ТокI1=U1/R, ток I2 определяется вольтамперной характеристикой диода:

. Падение напряжения на диоде E=-U2, тогда
, откуда
. Точность логарифмирования зависит от вольтамперной характеристики диода.

Антилогарифмирующий усилитель

Токи I1=I2. Ток I1 определяется вольт-амперной характеристикой диода:

, ток I2=U2/R. Падение напряжения на диодеE=-U1, тогда
, откуда
и, следовательно,

4. Активные RC-фильтры

Фильтр – частотно-избирательное устройство, пропускающее колебания определенных частот.

Разделяют фильтры четырех типов:

1) фильтры нижних частот (ФНЧ);

2) фильтры верхних частот (ФВЧ);

3) полосовые фильтры (ПФ);

4) режекторные фильтры (РФ).

Существуют фазосдвигающие фильтры, АЧХ которых равномерна, ФЧХ задана. В общем случае в p-плоскости фильтр обладает передаточной функцией

.

Для физически реализуемых устройств необходимо, чтобы

.

Рассмотрим фильтры каждого типа.

1) Фильтры нижних частот

Для реализации частотных характеристик фильтров используют четыре вида аппроксимаций, в результате можно выделить четыре вида фильтров.

Можно выделить три частотные области:

1)

– полоса пропускания фильтра;

2)

– переходная область АЧХ (наименьшая у эллиптического, наибольшая – у фильтра Баттерворта);

3)

– полоса задерживания.


Copyright © MirZnanii.com 2015-2018. All rigths reserved.