Курсовая работа: Расчет разностного усилителя (вычитателя) на ОУ
1.1 Общие сведения
Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности
();
входное сопротивление стремится к бесконечности ();
выходное сопротивление стремится к нулю ();
если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю ();
бесконечная полоса усиливаемых частот ().
История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.
Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.
Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС).
Параметры ОУ можно разделить на следующие группы.
Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:
· напряжение смещения нуля Uсм , значение которого определяется неидентичностью напряжений Uбэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT;
· входной ток инверирующего I- вх и неинвертирующего входа I+ вх , а также средний Iвх.ср и разностный Iвх.разн входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока ΔIвх.разн /ΔT;
· максимальное входное дифференциальное Uвх.диф. мах и синфазное Uвх.сс. мах напряжения;
· входное дифференциальное сопротивление Rвх.оу , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;
· входное синфазное сопротивление Rвх.сф. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.
Передаточные параметры:
· коэффициент усиления по напряжению Коу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу Коу = Uвых /Uвх.диф ;
· коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала Косс = Коу / Коу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;
· граничная частота fгр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1 граничная частота fгр =10Гц;
· частота единичного усилия f1 т. е. частота, при которой Коу =1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1 частота единичного усиления f1 =106 Гц. Граничная частота fгр , частота единичного усиления f1 и коэффициент усиления по напряжению Коу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f1 = fгр Коу .
· запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φзап , характеризует устойчивость ОУ. φзап =1800 – |φ1 |, где φ1 – фазовый сдвиг на частоте f1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 450 . Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис.1 φ1 =900 , а φзап =900 .
Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:
· выходное сопротивление Rвых ;
· максимальный выходной ток Iвых.мах , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки Rн.мин ;
· максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина Uвых.мах =( Еп – 1,5)В, что составляет примерно - 10 В.
Переходные параметры: