Операционные усилители и их применение

     6. Входные токи Iвх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появление напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.

     7. Разность входных токов . Входные  токи могут отличаться друг  от друга на 10…20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.

     Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

     8. Дрейф напряжения смещения DUсм

     9. Дрейф разности входных токов DIвх.

     10. Максимальное входное напряжение Uвх - напряжение, прикладываемое между входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.

     11. Максимальное синфазное входное  напряжение Uвх.сф - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины Uвх.сф, а в зарубежной - диапазон.

     12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

     13. Выходной ток - максимальное значение  выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

     Часто вместо значения Iвых в документации приводят минимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом - ток короткого замыкания Iк.з равен 25 мА.

     Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличения f1,VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения “паразитных” параметров Uсм, Iвх, DIвх и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств и наоборот.

     Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических  решений был создан ряд ОУ, который  согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится  на:

     универсальные (общего применения), у которых Куu=103…105; f1=1.5…10 Мгц;

     прецизионные (инструментальные) с Куu>0.5*106 и гарантированными малыми уровнями Uсм 0.5 мВ и его дрейфа;

     быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых 20 В/мкс;

     регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот<1 мА.

     В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, а также  с учетом подключения внешних  компонентов можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. На рис. 2а приведена модель инвертирующего включения ОУ. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой будем считать такую модель идеальной, что соответствует выполнению условийKu®Ґ и Ki®0, где Ku и Ki - коэффициенты усиления по напряжению и току без обратной связи, а такжеRвх®Ґ и Rвых®Ґ. В этом случае коэффициент ОУ будет равен: 

     Знак  “-“ в уравнении указывает  на инвертирование фазы (полярности) выходного  сигнала.

     На  рис. 2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУ идеальной, как и в предыдущем случае Ku®Ґ и Ki®Ґ, Rвх®Ґ и Rвых®0, для данной схемы 

В данном случае знак “-“ отсутствует, так как  фаза (полярность) выходного сигнала  совпадает с фазой входного сигнала.

     Входное сопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратной связи велико: 

     где Rвх.м - собственное входное сопротивление микросхемы;

     Ku - коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.

     Выходное  сопротивление реального неинвертирующего усилителя мало

     где Rвых.м - собственное выходное сопротивление микросхемы 
 

3. Схемы включения ОУ

     Принципиальная  схема разрабатываемого усилителя  может быть выполнена с использованием дифференциальных микросхем следующих серий: К140, К153, К154, К544, К574 и др. Данные цепей частотной коррекции и цепей баланса взяты из справочной литературы по практическому применению микросхем.

     Цепи  частотной коррекции предотвращают  самовозбуждения усилителя, а цепи баланса при большом коэффициенте усиления позволяют в отсутствии входного сигнала установить на выходе микросхемы напряжение равное нулю. 

4. Применение  операционных усилителей

В настоящее  время в электронике широкое  распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                   Заключение 
       Спроектированный и рассчитанный выше усилитель удовлетворяет всем требованиям технического задания. 
       Усилитель имеет коэффициент усиления около 70 дБ. 
       Коэффициент нелинейных искажений порядка 7 %. 
       Необходимо помнить, что микрофонный усилитель усиливает звуки, приходящие со всех сторон, и если соотношение сигнал/шум будет недостаточным, то нужно применять пространственные направляющие системы. При прослушивании человеческой речи за стенами, панелями, перегородками достаточно поместить микрофон в основание параболического рефлектора. 
       Дистанционное звуковое прослушивание необходимо вести с помощью дистанционных направленных микрофонов, имеющих узкую 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. Электронные усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.  
 
4. НОГИН В.Н. Аналоговые электронные 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 применения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. - Москва, Радио и связь, 2000 г. 
 
9. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - Киев, Наукова думка, 2003 г.