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 U_см , значение которого определяется неидентичностью напряжений U_бэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT;

· входной ток инверирующего I^- _вх и неинвертирующего входа I⁺ _вх , а также средний I_вх.ср и разностный I_{вх.разн} входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока ΔI_{вх.разн} /ΔT;

· максимальное входное дифференциальное U_{вх.диф. мах} и синфазное U_{вх.сс. мах} напряжения;

· входное дифференциальное сопротивление R_вх.оу , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;

· входное синфазное сопротивление R_вх.сф. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

Передаточные параметры:

· коэффициент усиления по напряжению К_оу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу К_оу = U_вых /U_вх.диф ;

· коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_осс = К_оу / К_оу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

· граничная частота f_гр – 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 f_гр =10Гц;

· частота единичного усилия f₁ т. е. частота, при которой К_оу =1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1 частота единичного усиления f₁ =10⁶ Гц. Граничная частота f_гр , частота единичного усиления f₁ и коэффициент усиления по напряжению К_оу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f₁ = f_гр К_оу .

· запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φ_зап , характеризует устойчивость ОУ. φ_зап =180⁰ – |φ₁ |, где φ₁ – фазовый сдвиг на частоте f_1. 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 φ_зап =90⁰ .

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:

· выходное сопротивление R_вых ;

· максимальный выходной ток I_{вых.мах} , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки R_н.мин ;

· максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина U_{вых.мах} =( Е_п – 1,5)В, что составляет примерно - 10 В.

Переходные параметры: