Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Операционные усилители и их применение
Ишимбайский нефтяной институт
Р Е Ф Е Р А Т
по электронике на тему:
«Операционные усилители и их применение»
Выполнил: студент группы ЭП11-10
Халитов А. М.
Проверил: педагог Брылякова Е.А.
Ишимбай – 2010 год
СОДЕРЖАНИЕ
׃
Введение……………………………………………………………………………………………………3
1. Типы операционных усилителей……………………………………………………………..4
2. Отличительные индивидуальности оптронов …………………………………………………..6
3. Обобщенная структурная схема……………………………………………………………10
4. Применение…………………………………………………………………………………………..10
Заключение……………………………………………………………………………………………….11
Литература………………………………………………………………………………………………..12
Введение
Операционный усилитель – всепригодный многофункциональный элемент, широкоиспользуемый в современных схемах формирования и преобразованияинформационных сигналов различного предназначения как в аналоговой, так и вцифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обосновано тем, что, преждевсего такие усилители получили применение для выполнения операцийсуммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертированияи т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованныебалансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционныеусилители включают 10-ки, а время от времени и сотки простых ячеек: регистров,диодов, транзисторов, конденсаторов), внедрение генераторов стабильныхтоков и ряд остальных усовершенствований значительно расширили сферу возможныхприменений операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математическихопераций в аналоговых вычислительных машинках. 1-ый ламповый ОУ K2W былразработан в 1942 году Л.Джули (США
1.
Типы операционных усилителей
В истинное время в мире делаются сотки наименований интегральныхОУ. Все это обилие можно поделить на группы, объединенные общейтехнологией и схемотехникой, точностными, динамическими илиэксплуатационными чертами, при этом эти группы могут пересекаться,т.е. включать общие элементы. Исходя из убеждений внутренней схемотехники операционные усилители можноразделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарныхполевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУполевые транзисторы с управляющим p-n переходом либо МОП-транзисторы обычноиспользуются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счетэтого достигается высочайшее входное сопротивление и малые входные токи. Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего предназначения.Это дешевенькие усилители среднего быстродействия, низкой точности и малой выходной мощности. Обыденные характеристики: KU = 20 000 — 200 000; Uсм = 0,1 — 20мВ; fт = 0,1 — 10 МГц. Обычные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411. Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеютвысокие динамические свойства (fт = 20 — 1000 МГц, r = 10 — 1000В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два происшествия. Во-1-х, в cостав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы,относительно низкочастотные из-за наименьшей подвижности дырок по сопоставлению сосвободными электронами. Во-2-х, скорость нарастания ограничена скоростьюзаряда корректирующего конденсатора Ск. Воздействие первого фактора избавляют,используя во входном каскаде наиболее быстродействующие р-канальные полевыетранзисторы. Прирастить скорость заряда Ск можно или увеличив токдифференциального каскада, или уменьшив емкость Ск. В первом случаеувеличивается ток употребления ОУ, а во 2-м усугубляется устойчивость.Повысить устойчивость можно, вводя доп фазоопережающие звенья в схему усилителя либо вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны кнеустойчивости. Обычные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634. Прецизионные усилители имеют высочайший дифференциальный коэффициентусиления по напряжению, маленькое напряжение смещения нуля и малый входной токобычно при низком либо среднем быстродействии. Повышение KU может быть путемусовершенствования каскадов усиления по напряжению либо применениемтрехкаскадной схемы (к примеру, 551УД1), что усложняет частотную корректировку.Конструктивно уменьшить смещение нуля позволяе применение модуляции-демодуляции (МДМ), или повторяющаяся ток от источников питания (к примеру, ОУ МАХ406 потребляет ток неболее 1,2 мкА). Все остальные характеристики (в особенности быстродействие) у их обычноневысокие. Для того, чтоб отдать возможность проектировщику отыскать компромиссмежду малым потреблением и низким быстродействием некие моделимикромощных ОУ делают программируемыми. Программируемый ОУ имеетспециальный вывод, который через наружный резистор соединяется с общейточкой либо источником питания определенной полярности. Сопротивлениерезистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняютфункции генераторов размеренного тока и динамической перегрузки каскадовусилителя. Уменьшение этого резистора приводит к повышению быстродействияОУ и повышению потребляемого тока. Повышение — к оборотному результату.Обычные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Рядовая величина тока потреблениядля микромощных и программируемых ОУ — 10-ки микроампер. Микромощные ОУ,как правило, допускают питание от очень низких напряжений. к примеру, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18В при токе употребления 15 мкА.Если источник сигнала — однополярный (к примеру, фотодиод), целесообразноиспользовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволитпитать усилитель от одной батареи либо даже элемента, к примеру, от литиевогоэлемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ соднополярным питанием, — спектр входного синфазного сигнала долженпростираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного кпотенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограниченснизу фактически напряжением питания (потенциалом земли). Существуютусилители, спектры входных и выходных напряжений которых практически достигаюти верхней и нижней границы питания (так именуемые, rail-to-rail вход ивыход), при этом входные напряжения могут даже входить за эти границы.Обычные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В. Почти все конторы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющиена одном кристалле два, три либо четыре однотипных ОУ. к примеру, ИМС типа140УД20 имеет в собственном составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 иОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипныхусилителя. Массивные и высоковольтные операционные усилители. Большая часть типов ОУрассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некие допускают питание отисточников прямо до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, к примеру,пьезоэлектрическими преобразователями, для неких физических ибиологических исследовательских работ. Потому индустрия производитвысоковольтные ОУ, допускающие наиболее высочайшие питающее и выходноенапряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющиеразность положительного и отрицательного питающих напряжений выше 50вольт. неувязка увеличения напряжений в интегральных полупроводниковых(цельных) ОУ связана с трудностью сотворения интегральных высоковольтныхтранзисторов и крепкой изоляции меж элементами в кристалле. Поэтомубольшинство ОУ с напряжением питания выше 100 В делаются в видегибридных ИМС. В то же время, компания Apex Microtechnology (США (Соединённые Штаты Америки — ток до5 мА. Для управления сильной перегрузкой используются массивные ОУ. К мощнымобычно относят усилители, допускающие выходной ток выше 500 мА. Примеромполупроводникового интегрального массивного ОУ может служить LM12 с выходнымтоком до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. КомпанияApex Microtechnologyвыпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 Аи способный дать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостномохлаждении. Предстоящее повышение выходной мощности усилителей возможнопутем использования режима класса D. Рекордными являются свойства гибридного усилителя конторы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией начастоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При всем этом КПДусилителя добивается 98%.
2. Главные
характеристики ОУ
Интегральный ОУ имеет последующие главные характеристики:Коэффициент усиления напряжения Kуи — отношение конфигурации выходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченного оборотной связью, равен произведению Kуи всех его каскадов. В истинное время Kу неких усилителей по неизменному току превосходит 3*106. Но его сколько усилительных каскадов в ОУ. Любой каскад на больших частотах заносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной оборотной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ достигают введением частотной корректировки — наружных нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного — две. Почти все ОУ крайних выпусков не требуют наружных цепей корректировки, потому что в их схему уже введены нужные элементы.
2. Частота единичного усиления
тока приблизительно в 30 раз.
3. Наибольшее выходное напряжение
наибольшее значения. В российскей практике этот параметр измеряется +
относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону. В забугорных каталогах приводят значение наибольшего спектра выходных напряжений, который равен
Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении перегрузки. При уменьшении сопротивления перегрузки величина
миниатюризируется.
4. Скорость нарастания выходного напряжения
— отношение конфигурации
от
до
от собственного номинального значения ко времени, за которое вышло это изменение. Параметр охарактеризовывает быстроту отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от
до
.
5. Напряжение смещения
— свойства которых имеют разброс по характеристикам, что приводит к возникновению неизменного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр
помогает разрабам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.
6. Входные токи
токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обоснованы базисными токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, делают падения напряжений, которые могут вызвать возникновение напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.
7. Разность входных токов . Входные токи могут различаться друг от друга на
. Зная разность входных токов, можно просто подобрать номинал балансировочного резистора.
Все характеристики ОУ изменяют свое
8. Дрейф напряжения смещения DUсм
9. Дрейф разности входных токов DIвх.
10. Наибольшее входное напряжение
— напряжение, прикладываемое меж входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу характеристик за установленные границы либо разрушению устройства.
11. Наибольшее синфазное входное напряжение
наибольшее Uвх.сф
, а в забугорной — спектр.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
— отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного меж входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.
13. Выходной ток — наибольшее значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность устройства. Это значения емкостной либо индуктивной составляющей сопротивления перегрузки резко меняются, и при неверном подборе перегрузки схема может выйти из строя.
Нередко заместо значения
в документации приводят малое значение сопротивление перегрузки
. Большая часть ОУ, разработанных в крайнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при неожиданном замыкании выходного контакта на шину источника питания либо нулевой потенциал. Предельный выходной ток при всем этом — ток недлинного замыкания
равен
.
Конструкторы и технологи микросхем ОУ повсевременно отыскивают методы улучшения главных характеристик устройств: роста
и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новейшие технологические приемы, стараются понизить значения “паразитных” характеристик
и их дрейфов, также мощность, потребляемую устройством. Как правило, достигнуть наибольшего значения для всех характеристик нереально. Достижение наибольшего значения 1-го параметра нередко осуществляется за счет ухудшения другого. Так, повышение коэффициента усиления по напряжению тянет за собой понижение частотных параметров и напротив.
Как итог поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был сотворен ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на:
(общего внедрения), у каких
(инструментальные) с
и гарантированными малыми уровнями
и его дрейфа;
со скоростью нарастания выходного напряжения
;
(микромощные) с током употребления
.
Зависимо от критерий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, также с учетом подключения наружных компонент можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя. Хоть какое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таковых включений. На рис. 2а приведена модель инвертирующего включения ОУ. Потому что усиление ОУ весьма велико, то с маленькой ошибкой будем считать такую модель безупречной, что соответствует выполнению критерий
и
, где
и
— коэффициенты усиления по напряжению и току без оборотной связи, также
и
. В этом случае коэффициент ОУ будет равен:
Символ “-“ в уравнении показывает на инвертирование фазы (полярности) выходного сигнала.
На рис. 2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУ безупречной, как и в прошлом случае
и
,
и
, для данной схемы
В данном случае символ “-“ отсутствует, потому что фаза (полярность) выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала.
Входное сопротивление настоящего инвертирующего усилителя с учетом наличия оборотной связи велико:
,
где
— собственное входное сопротивление микросхемы;
— коэффициент усиления микросхемы без оборотной связи.
Выходное сопротивление настоящего неинвертирующего усилителя не много
,
где
— собственное выходное сопротивление микросхемы
3.
Схемы включения ОУ
Принципная схема разрабатываемого усилителя быть может выполнена с внедрением дифференциальных микросхем последующих серий:
и др. Данные цепей частотной корректировки и цепей баланса взяты из справочной литературы по практическому применению микросхем.
Цепи частотной корректировки предупреждают самовозбуждения усилителя, а цепи баланса при большенном коэффициенте усиления разрешают в отсутствии входного сигнала установить на выходе микросхемы напряжение равное нулю.
4.
Применение операционных усилителей
В истинное время в электронике обширное распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые способы, основывающиеся на использовании процессоров, просочились во огромное количество областей радиоэлектроники и привели к созданию совсем новейших методов обработки сигналов. сразу наблюдается развитие аналоговой электроники, так как по мере развития систем цифровой обработки увеличиваются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базисным элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Потому разраб систем сбора, передачи и обработки измерительной инфы должен владеть познаниями характеристик ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на базе ОУ).
Заключение
Спроектированный и рассчитанный выше усилитель удовлетворяет всем требованиям технического задания.
Усилитель имеет коэффициент усиления около 70 дБ .
Коэффициент нелинейных искажений порядка 7 %.
нужно держать в голове, что микрофонный усилитель увеличивает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостающим, то необходимо использовать пространственные направляющие системы. При прослушивании людской речи за стенками, панелями, перегородками довольно поместить микрофон в основание параболического рефлектора.
Дистанционное звуковое прослушивание нужно вести при помощи дистанционных направленных микрофонов, имеющих неширокую диаграмму направленности.
Литература
1. АЛЕКСЕЕВ А.Г., ВОЙШВИЛЛО Г.В. Операционные усилители и их применение. — Москва, Радио и связь, 2000 г.
2. БОЛТАЕВ А.В., ГАДЗИКОВСКИЙ В.И. и др. Усилительные устройства на интегральных микросхемах. — Свердловск, издание УПИ, 2001 г.
3. ГОЛОВИН О.В., КУБИЦКИЙ А.А. электрические усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.
4. НОГИН В.Н. Аналоговые электрические устройства. — Москва, Радио и связь, 2001 г.
5. ОСТАПЕНКО Г. С. Усилительные устройства. — Москва, Радио и связь, 2003 г.
6. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией ТЕРПУГОВА Н.В. — Москва, Высшая школа, 1999 г.
7. ЦЫКИНА А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. — Москва, Связь, 2003 г.
8. Транзисторы для аппаратуры широкого внедрения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. — Москва, Радио и связь, 2000 г.
9. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Компактная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. — Киев, Наукова думка, 2003 г.
]]>