Операционным усилителем

Гираторы обычно выполняют на базе сложных интегральных микросхем, называемых операционными усилителями, и используют для имитации индуктивных элементов в микроэлектронных цепях. При этом удается реализовать весьма большие номиналы индуктивностей. Так, при С= 1 мкФ и 5=1 мА/В имеем L3K= = 1 Гн. Соответствующая катушка имела бы неприемлемо большие массу и габариты.

Сейчас операционными усилителями (ОУ) называют усилители с непосредственными связями, обладающие высоким (104..105 и более) коэффициентом усиления и с широким использованием внешних обратных связей. Современные ОУ выпускаются в виде однокристальных полупроводниковых ИС. Они характеризуются чрезвычайно широкой универсальностью. Один и тот же ОУ может использоваться для выполнения в аналоговой форме математических операций, получения плос-ской, широкополосной частотной характеристики видеоусилителя, характеристики резонансного типа или в качестве предварительных ступеней высококачественного УНЧ и т. д.

7.33. ЯС-фильтр построен в виде трех идентичных интегрирующих /?С-цепей, разделенных операционными усилителями с коэффициентами усиления Ку=\0, Л =100 кОм, С =10 нФ. Определить спектральную плотность мощности и корреляционную функцию шумов на выходе фильтра, считая, что шум в основном обусловлен входным резистором при Г=300 К.

Рассмотрим идеальные активные четырехполюсные элементы с зависимыми источниками или операционными усилителями, предназначаемые для преобразования сигналов, а также вида и характера элементов цепи.

При наладке и испытаниях устройства для измерения напряжения в цепях схем с транзисторами и операционными усилителями применяются ламповые и транзисторные вольтметры с высоким входным сопротивлением (не менее 100 кОм/В). Очень удобен при наладке устройств электронный осциллограф, позволяющий наблюдать форму и приблизительно оценивать величину напряжений постоянного и переменного токов. При необходимости в исследовании формы тока в цепи, не содержащей линейных активных сопротивлений, цел-есообразно включить последовательно в схему небольшое активное сопротивление (аналогично миллиамперметру). Падение напряжения на нем прямо пропорционально току и может наблюдаться на экране осциллографа.

В сочетании с операционными усилителями на ИМС выполняются также органы выдержки времени с нормируемым временем, например с мостовой схемой, имеющей вре-мязадающую активно-емкостную цепь; в первоначальном виде такой орган был разработан в СРЗиУ ТЭП (Ю. А. Га-евенко).

2) при односистемных защитах (с одним ИО) —двухфазная схема с жестким включением ИО на разность токов двух фаз ( 3.19, ж) или автоматическим включением ИО, например с помощью максиселектора (или подобных этому схем с операционными усилителями, см., например, [57]) на больший из подводимых токов ( 3.19, з); трехфазная схема с автоматическим включением ИО на больший из подводимых токов ( 3.19, ы).

Вид реальных характеристик отличается от идеальных и в значительной мере определяется элементной базой, на которой выполнен OHM. Так, например, OHM, осуществленные на интегральной микроэлектронной базе с операционными усилителями (см. гл. 2), имеют рассматриваемые характеристики, близкие к идеальным. Часто использовавшиеся ранее индукционные OHM, характеризуемые в условиях срабатывания Мэ„ = &?/с>р/с,рсоз(фс,р—(fVmaX4) =

Недостаток рассмотренного ЦАП, ограничивающий его применение в случае многоразрядных цифровых сигналов, — очень большой диапазон изменения сопротивления взвешенных резисторов: если, к примеру, необходимо преобразовывать 12-разрядный цифровой сигнал, а резистор в цепи старшего значащего разряда равен jR = 1 кОм, то в младшем разряде сопротивление должно быть в 2"-1 = 2й = 2048 раз больше, т. е, 2048 кОм. По интегральной технологии изготовить такую резистивную матрицу практически невозможно, а в случае дискретной сборки —• трудно обеспечить одинаковую температурную стабильность всех резисторов. Поэтому в современных ЦАП применяются несколько иные резисторные матрицы, в которых используются одинаковые или отличающиеся в 2—4 раза резисторы. Наиболее часто применяются матрицы R—2R ( 119, в), составленные из резисторов всего двух номиналов R и 2^, что делает изготовление матрицы очень технологичным и позволяет выполнять ее в интегральном исполнении, вместе со всеми необходимыми активными элементами (электронными ключами и схемами их управления, суммирующими операционными усилителями и т. д.). Особенностью матрицы R—2R является постоянство сопротивления в узлах: если цепочка резисторов R—2R замкнута на резистор с сопротивлением 2R со стороны младшего разряда ( 119, в), то в любом ее узле (объединяющем два резистора R и один резистор 2R) сопротивление слева и справа будет равно 2R (если ключи справа и слева замкнуты на землю). Вследствие этого токи /1( ..., /л, как и в предыдущей схеме, отличаются в 2' раз: /х = /о/21, ..., /„ = /с/2'1, где /0 = U0JR, а суммарный ток Is строго пропорционален коду входного цифрового сигнала.

Чаще всего реализация нелинейных преобразований в аналоговой форме основывается на использовании р—n-перехода в сочетании с операционными усилителями по методу обратной функции, умножителей и делителей для реализации метода неявной функции, электронных интеграторов путем интегрирования исходных, более просто реализуемых функций [57].

Расчет схем с операционными усилителями, когда необходимо учесть конечное (не бесконечное) значение k и конечное значение входных сопротивлений, производят обычно методом узловых потенциалов.

7.9. Схема цепи с операционным усилителем

Первоначально под операционным усилителем подразумевали высококачественный усилитель постоянного тока, применявшийся в аналоговых вычислительных устройствах. Высокое качество дифференциальных усилителей в микроэлектронном исполнении сделало возможной разработку недорогих и обладающих высокими параметрами интегральных операционных усилителей.

3.25. Компараторы с операционным усилителем:

Аналоговый интегратор с операционным усилителем. Напряжение на выходе простейшей RC интегрирующей _цепи ( 3.26, а):

3.27. Дифференциатор ана-логовы сигналов: а — простейшая дифференцирующая цепь; б — дифференциатор « операционным усилителем

Операционным усилителем (ОУ) называют, усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами при работе с обратными связями.

Операционным усилителем называют дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

С появлением интегральных микросхем электронные фильтры стали более эффективными. На 9.15, в изображена схема электронного фильтра с применением микросхемы. Пульсации во входном напряжении, усиленные операционным усилителем (ОУ) на интегральной микросхеме, еще более закрывают составной транзистор, т. е. еще больше уменьшают выходную проводимость. При этом увеличивается падение напряжения от переменной составляющей на составном транзисторе. Таким образом, снижаются пульса-

известными свойствами. Емкость измерительного конденсатора определяется относительной диэлектрической проницаемостью контролируемого вещества. Измерительный и эталонный конденсаторы включают по дифференциальной схеме. При этом методе измерения на измерительный прибор (миллиамперметр) воздействует разность усиленных операционным усилителем напряжений, снимаемых с измерительного и эталонного конденсаторов. Показания миллиамперметра будут пропорциональны разности модулей комплексных сопротивлений измерительного и эталонного конденсаторов.

Задача 3.52. Рассчитать инвертирующий усилитель ( 3.42) для усиления сигналов с амплитудой ?гш = 50-^500 мВ и верхней граничной частотой /в= 100 кГц. Определить погрешность, вносимую операционным усилителем, если его параметры следующие: коэффициент усиления ?0у = 50-103; входное сопротивление ЛВхоу=:1 МОм; выходное сопротивление Лвых0у = ЮО Ом; частота единичного усиления fT= 1 МГц; напряжение сдвига С/сдв не более 5 мВ; ток смещения /см не более 500 нА; ток сдвига /сдв не более 100 нА.

Операционным усилителем называют высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенный для работы в схемах с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения— выполнение различных операций над аналогичными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.