Интегральные микросхемы, разработанные для радиоэлектронных устройств широкого применения, имеют в начале условного обозначения дополнительный индекс К.

При наличии разброса отдельных электрических параметров и предельных эксплуатационных параметров одного и того же типа микросхем в конце условного обозначения проставляется дополнительная буква (от А до Я). При маркировке микросхем на их корпусах конечная буква может заменяться цветной точкой. Конкретные значения разброса параметров микросхем и цвет маркировочной точки указываются в соответствующей документации.

15-6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Операционный усилитель (ОУ) -узел, который служит основой построения схем, выполняющих различные функции. Первоначально ОУ были разработаны для вьшолне-

Uex.h

Рис. 15-25. ОУ с ограничителем входного сигнала.

НИЯ линейных операций: -усиления сигнала, алгебраического суммирования нескольких сигналов, преобразования сопротивлений, интегрирования и дифференцирования. Однако они оказались удобными и для выполнения таких функций, в которых используются нелинейные свойства: ограничение сигнала, сравнение уровней двух сигналов, замыкание и размыкание цепей, связанных с выходом ОУ. На основе нелинейных свойств ОУ выполняются компараторы, формирователи импульсов, импульсные генераторы, генераторы гармонического и линейно-изменяющегося напряжений. Такое богатство функциональных возможностей привело к тому, что выпуск интегральных ОУ непрерывно растет, они являются перспективным классом интегральных схем, и их целесообразно использовать в устройствах управления и устройствах преобразования информации.

Всякий ОУ (в дальнейшем будем иметь в виду ОУ в интегральном исполнении) представляет собой конструктивный элемент, имеющий следующие выводы: общий ( земля ), положительный и отрицательный выводы питания, два входных и один выходной (рис. 15-25). У некоторых ОУ имеются и другие выводы, выполняющие вспомогательные функции.

Основные параметры ОУ

Коэффициент усиления напряжения - отношение приращений выходного и входного напряжений. Входное измеряется между двумя входами либо между одним входом и общей шиной при неизменном потенциале второго входа. Один из входов ОУ- инвертирующий, он изменяет фазу входного сигнала на противоположную, второй - неинвертарующий (прямой):

Ка = -вых/вх,и; Kii = Ueu/Uex,m-

Усилители выполняют симметричными, т. е.

Типичные значения K=l(filO\ Входное сопротивление RbxUex/Ibx - измеряется для одного из входов при неизменном потенциале другого. Оно характеризует, в какой мере входная цепь усилителя нагружает источник входного сигнала. Идеальным следует считать такой усилитель, который не нагружает источник сигнала, т. е. имеет Явх=оо. На практике 103 10 Ом. Входное сопротивление для синфазного сигнала /?сф=1сф сф - отношение приращения напряжения на обоих входах по отношению к земле к приращению среднего входного тока:

сф Ret-

Средний /вз: и разностный А/вх входные токи измеряются в режиме, когда выходное напряжение становится равным нулю:

Ibx =-2- = ilii- Ih\

У идеального усилителя /вз:=0; на

практике оба тока не превышают единиц микроампер.

Учитывая, что

иВЫХ = иВХ,Н -Ь tES.H Ки = = K(U вх,и - и ВХ,н) >

одинаковые по фазе сигналы на обоих входах практичес1ш не влияют на выходное напряжение. Коэффициент ослабления синфазного сигнала - отношение коэффициента усиления к коэффициенту передачи синфазного сигнала - составляет 10-10.

Выходное сопротивление /?вых показывает, насколько выходная цепь ОУ отличается от источника напряжения. У идеального усилите.пя /?вых = 0, на практике i?jBbix = = 102-=-10з Ом, но всегда/?вых</?вх. Выходное напряжение ОУ не может быть выше, чем положительное напряжение питания, и ниже, чем отрицательное. На практике I Увых I (0,54-0,8) I t/и.п 1, где и ,п - напряжение источника питания.

Из-за несовершенства усилителя его выходное напряжение может отличаться от нуля, если 1/вх=0. Для приведения к нулю выхода на вход должно быть подано напряжение смещения t/см. Его значение и

Таблица 15-6 Вследствие этого коэффициент усиления схемы

Учитывая также, что /С>1, можно считать, что

тогда

. , ВЯ БЫЖ ос

/в.-/о,с- - .Ко.с- -.

Таким образом, Ко.с не зависит от параметров усилителя и полностью определя-

температурный дрейф указаны в паспорте. Основные данные наиболее распространенных ОУ приведены в табл. 15-5 и 15-6.

Для ограничения входного напряжения на допустимом уровне между входами часто присоединяют встречно-параллельные кремниевые диоды и резисторы (пунктир на рис. 15-25).

Обратные связи в ОУ

Свойства усилителей, в том числе ОУ, можно изменять, вводя обратную связь, т. е. подавая. иа входные выводы усилителя сумму входного и части выходного сигналов; ОУ используются обычно с отрицательной обратной связью (рис. 15-26).

Рис. 15-26. ОУ с отрицательной обратной связью.

ется параметрами внешней цепи. На выбор Ro,c и Rl накладываются следующие ограничения: Ro,c ограничено сверху значением, при котором /о.е/, а снизу-допустимой нагрузкой усилителя на выходе, практически i?o,c<l МОм; Rx ограничено снизу допустимой нагрузкой для источника сигнала, практически /?13ь5 кОм. Входное сопротивление усилителя i?Bx,o,c=i?i. Выходное сопротивление из-за отрицательной обратной связи уменьшается и составляет:

о - п о.с

г\вых,о,с - Квых

Для входного сигнала, поданного в схеме рис. 15-26 на неинвертирующий вход, Ko.c,H=Ro,c/Ri+l; если Ro,c=0, то /(о,с,и=

= 1, т. е. схема становится повторителем напряжения.

Входное сопротивление очень велико:

/?вх,о,с = вх

Таким образом, выходное напряжение ОУ пропорционально интегралу входного. Это одно из наиболее распространенных применений ОУ в схемах аналоговых моделей, предназначенных для решения дифференциальных уравнений;

Суммирование напряжений

По схеме рис. 15-27 при i/ 0 можно записать уравнения

Ic = UJRa, lb = UblRb-> h = lIclRc---/о,с = /(2 + /fc + /сЧ~ = - fBbix/o,c тогда

Т. е. выходное напряжение равно взвешенной сумме входных со знаком минус и с весовыми коэффициентами

Ro,c1Ra> RotCRb* Ro,c1Rc .

Рис. 15-27. Сумматор на ОУ.

Еслк входные сопротивления равны, то Rq.c

и вьтх -

{Un+Vb + U,+ ...).

Если же Ro,c-R, то выходное напряжение равно сумме входных со знаком минус:

и -(Ua+Ub+U,+ ...).

Для повышения стабильности и устойчивости рекомендуется включать в цепь не-инвертируюшего входа резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле

Ra Rb

Интегрирование напряжения

Если в схеме рис. 15-26 заменить Ro,c конденсатором С, то при UQ можно записать уравнения

fВХ = вх/Ri, fо,с = fвх;

Usdf.

Стабилизация напряжения

ОУ удобны для построения компенсационных стабилизаторов напряжения. Маломощная нагрузка может включаться непосредственно иа выход ОУ, при необходимости можно включать нагрузку в цепь

Рис. 15-28. Стабилизатор напряжения иа ОУ.

транзистора Т (рис. 15-28). Для дальнейшего повышения выходной мощности применяют составные транзисторы. На вход ОУ подается разность опорного напряжения Но, снимаемого со стабилитрона Д, и части напряжения нагрузки, подаваемой на инвертирующий вход:

Если из-за каких-либо возмущающих факторов напряжение на нагрузке уменьшается, понижается потенциал инвертирующего входа, увеличивается выходное напряжение ОУ, транзистор Т открывается, компенсируя возникшее отклонение почти полностью благодаря большому усилению ОУ.

Активные фильтры

При обработке информации, передаваемой электрическими сигналами, часто возникает необходимость в изменении коэффициента передачи составляющих сигнала с разными частотами. Эта задача решается с помощью частотно-зависимых цепей - фильтров. Традиционные фнльтры на основе iLC-цепёй не всегда эффективны, поэтому большое распространение получили активные фильтры на основе ОУ.

Фильтр нижних частот (рис. 15-29) выполнен на основе ОУ с обратной связью, где /?о,с=0. Такой усилитель повторяет на выходе напряжение, поступающее на не-инвертирующий (прямой) вход. Для медленно изменяпощихся сигналов сопротивления конденсаторов можно считать бесконечно большими, поэтому /С =1. На высоких частотах сопротивление конденсаторов ста-