ANALOG4_DIFF_OY_SCHM

1. Основы аналоговой СХЕМОТЕХНИКИ Часть IV

2. Двухтактный каскад

2
Двухтактный каскад
При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий к.п.д.
усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он
приводит к значительным нелинейным искажениям. Однако если реализовать два
усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и
отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений.
Подобный усилитель получил название двухтактного усилителя. В иностранной
(и переводной) литературе сохраняется старое название этой схемы — push-pull
(тяни-толкай).

3. Составные транзисторы по схемам Дарлингтона и Шиклаи

3
Составные транзисторы по схемам
Дарлингтона и Шиклаи
Дарлингтона
Шиклаи
Составной транзистор — электрическое соединение двух (или
более) биполярных (или полевых) транзисторов с целью улучшения
их электрических характеристик. К этим схемам относят так
называемые пары Дарлингтона и Шиклаи. Коэффициент h21 равен
произведению, а схема Шиклаи позволяет изменить тип транзистора.

4. Усилитель с расщепленным питанием

4 Усилитель с расщепленным питанием
Разделительные ёмкости не пропускают постоянное напряжение и
медленно меняющиеся сигналы сверхнизкой частоты. Таким образом,
усилительный каскад не может быть усилителем постоянного тока. В то
же время необходимость в подобных усилителях существует. Избавиться
от разделительных емкостей позволяет схема с расщепленным («двуполярным») питанием. В самом деле, настраивая каскад ОЭ на VT1 выставляем
на коллекторе половину напряжения питания. Если применить два источника
ЭДС +Ек/2 и -Ек/2, то потенциал точки их соединения будет такой же,
как на коллекторе VT1. А значит нагрузку можно соединить с выходом
каскада без разделительной емкости. Если соединить эту точку с общим
проводом, то из неё можно задать ток базы и подключить источник сигнала.

5. Дифференциальный усилитель

5
Дифференциальный усилитель
Мост Уитстона сбалансирован (U = 0), если R1 / R2 = R3 / R4 .
Если R2 и R4 заменить идентичными транзисторами (R, управляемое IБ),
получим симметричный дифференциальный (разностный) усилительный каскад на VT1 и VT2. Если VT2 включить по схеме эмиттерного
повторителя, получим НЕсимметричный дифференциальный каскад.
Дифференциальный каскад позволяет усиливать противофазный
(разностный) сигнал
и подавлять синфазный. Применение
дифферен-циальных
усилительных
каскадов
является
наиболее перспективным спосо-бом уменьшения дрейфа нуля
УПТ.
Изменение
температуры
воздействует
на
токи
транзисторов также одинаково (синфазно). В идеальной

6. Типичная схема ОУ

6
Типичная схема ОУ
Типичный операционный усилитель содержит три основных каскада:
I - дифференциальный: усиливает противофазный (разностный)
сигнал и подавляет синфазный.
II - обеспечивает максимальное усиление разностного сигнала по
мощности.
III - двухтактный выходной каскад на эмиттерных повторителях
обеспечивает усиление по току и низкое выходное сопротивление.

7. Схема ОУ К140УД1

7
Схема ОУ К140УД1
ОУ К140УД1 - один из первых отечественных ОУ - включает в себя
два дифференциальных каскада (Т1, Т3, Т4, Т5), режим которых
стабилизирует источник тока (Т2, Т6), каскад усиления по мощности
(Т7, Т8) и выходной каскад (повторитель на Т9).

8. Схема ОУ LM324

8
Схема ОУ LM324
Микросхема серии LM324 является недорогим операционным
усилителем, имеющая дифференциальный вход, внутреннюю
частотную коррекцию и защиту выхода от короткого замыкания.

9. Операционный усилитель 741(140УД7)

9 Операционный усилитель 741(140УД7)
Операционный усилитель 741 (другие обозначения: LM741, 140УД7,
µA741) — универсальный интегральный операционный усилитель
второго поколения на биполярных транзисторах.

10. Операционные усилители

10
Операционные усилители
Операционный усилитель 741 (другие обозначения: LM741, 140УД7,
µA741) — универсальный интегральный операционный усилитель
второго поколения на биполярных транзисторах.

11. Идеальный операционный усилитель

11 Идеальный операционный усилитель
Идеальный операционный усилитель — это
дифференциальный усилитель с бесконечно
большим коэффициентом усиления,
бесконечно широкой полосой пропускания и
совершенно плоской АЧХ, бесконечным
входным сопротивлением, нулевым выходным
сопротивлением и полным отсутствием
дрейфа нуля.
В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике же
их параметры стремятся к идеальным, но все же не достигают их. Использование
понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.
Этими идеальными параметрами являются:
- бесконечно большое усиление при открытой петле обратной связи;
- бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
- бесконечно большое входное сопротивление;
- выходной импеданс, равный нулю;
- выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.
Очевидно, что такие параметры реально не могут быть обеспечены в полной
мере, но из года в год ОУ все более и более приближаются к идеалу.

12. Реальный операционный усилитель

12 Реальный операционный усилитель
На практике операционный усилитель имеет следующие свойства:
1) очень высокий коэффициент усиления (свыше 50000);
2) очень широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ;
3) очень высокое входное сопротивление;
4) очень низкое выходное сопротивление;
5) очень слабый дрейф нуля.

13. Два правила анализа схем на ОУ

13
Два правила анализа схем на ОУ
1. Операционный усилитель, охваченный петлёй отрицательной
обратной связи, стремится привести разность напряжений между
входами к нулю.
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют. (Реально входные токи очень малы).
Согласно правилу 1, точка А условно «соединена» с общим проводом,
и её потенциал равен 0 В. Отсюда: Iвх = Uвх / Rвх, Iос = Uвых / Rос .
Согласно правилу 2, ток, втекающий в точку А, равен вытекающему
току, поскольку входы операционного усилителя ток не потребляют.
Iвх = - Iос; Uвх / Rвх = -Uвых / Rос; KU= -Uвых / Uвх = Rос / Rвх.

14. Линейные усилительные каскады на ОУ

15. Инвертирующий усилитель

15
Инвертирующий усилитель
1/R3 = 1/R1 + 1/R2

16. Неинвертирующий усилитель

16
.
Неинвертирующий усилитель

17. Дифференциальный усилитель

17
Дифференциальный усилитель
Если R1 = R2, R3 = R4 то
Uвых = Uab*R3/R1 =
= (Ub - Ua)*R3/R1

18. Суммирующий усилитель

18
.
Суммирующий усилитель

19. Прецизионный повторитель

19
Прецизионный повторитель
Неинвертирующий усилитель
(повторитель) со 100%-ной ООС
Uвых = Uвх; k = 1
входное сопротивление очень высоко

20. Управляемый инвертор

20
Управляемый инвертор
Схемы с инвертированием по выбору позволяют инвертировать
входной сигнал или пропускать его без инвертирования в
зависимости от положения переключателя.
Положение переключателя определяет также коэффициент усиления
по напряжению — он может быть равен или +1, или -1.

21. Прецизионный преобразователь ток-напряжение

21
Прецизионный преобразователь
ток-напряжение
Ток сигнала Iвх поступает на инвертирующий вход. Поскольку входной ток
идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи
обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону
Ома. В результате ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки
RН напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент
усиления схемы имеет размерность сопротивления, что объясняет другое название схемы усилитель-преобразователь сопротивления: K = Uвых / Iвх = R

22. Усилитель с мощным выходным каскадом — «бустер»

22
Усилитель с мощным выходным
каскадом — «бустер»
Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить
мощный транзисторный повторитель В первой схеме использован
неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любом
операционному усилителю. Отметим, что сигнал обратной связи
снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное
выходное напряжение независимо от падения напряжения Uбэ
(компенсирует искажение типа «ступенька»).

23. Компенсационный стабилизатор напряжения (источник +ЭДС)

23
Компенсационный стабилизатор
напряжения (источник +ЭДС)
Операционный усилитель может работать как усилитель в
стабилизаторе напряжения с обратной связью. Операционный
усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным
напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным
транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного
транзистора».
Uвых = Uст(R5 + R6)/R6

24. Компенсационный стабилизатор напряжения (источник -ЭДС)

24
Компенсационный стабилизатор
напряжения (источник -ЭДС)
Изменив типы транзисторов, полярность включения стабилитрона и
ОУ, можно построить стабилизатор отрицательного напряжения.
Uвых = Uст(R5 + R6)/R6

25. Прецизионный источник тока

25
Прецизионный источник тока
Iн = Uвх/R1 более точно Iн= Uвх*B/[R1(1+B)], т.к. B конечно.
Принцип действия прецизионного источника тока основан на
контроле падения напряжения на резисторе – датчике тока – и
сравнении его с величиной опорного напряжения.

26. Прецизионный источник тока для заземленной нагрузки

26
Прецизионный источник тока
для заземленной нагрузки
Iн = (Еп - Uвх)/R1
Хорошим способом построения прецизионного источника тока
является считывание напряжения на прецизионном резисторе,
включенном последовательно с нагрузкой.

27. Прецизионный измерительный усилитель на трёх ОУ

27
Прецизионный измерительный
усилитель на трёх ОУ
Измерительный усилитель, инструментальный усилитель, разновидность
дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для
использования в измерительном и тестирующем оборудовании.
К улучшенным параметрам относят: очень малое входное смещение, малый
температурный дрейф, малый собственный шум, высокий коэффициент усиления,
регулируемый в широких пределах всего одним резистором, очень высокий
коэффициент ослабления синфазного сигнала, очень высокие входные
сопротивления, малый входной ток.

28.

Нелинейные
усилительные каскады
на ОУ

29. Прецизионный выпрямитель

29
Прецизионный выпрямитель
Прецизионные или высокоточные выпрямители, в отличие от диодных
выпрямителей, идеально выполняют функцию выпрямления: один из
полупериодов без искажений присутствует на выходе устройства, другой
практически незаметен. Есть и еще одно существенное отличие: амплитуда
выходного сигнала прецизионного выпрямителя может превышать
амплитуду входного, к тому же ее можно регулировать. ОУ компенсирует
нелинейную характеристику диода.

30. Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

30 Прецизионный двухполупериодный
выпрямитель
Двухполупериодные выпрямители более совершенны. Схема
прецизионного двухполупериодного выпрямителя, состоит из
однополупериодного выпрямителя на входном ОУ DA1 и
выходного сумматора на ОУ DA2.

31. Логарифмирующий усилитель

31
Логарифмирующий усилитель
В логарифмирующих преобразователях для получения требуемой
функциональной характеристики используются свойства смещенного в
прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора. Они
входят в качестве отдельных узлов в различные устройства, выполняющие
математические операции и применяются также для компрессии сигналов,
имеющих большой динамический диапазон, например, речевых сигналов.

32. Антилогарифмирующий «экспоненциальный» усилитель

32
Антилогарифмирующий
«экспоненциальный» усилитель
В антилогарифмирующих преобразователях для получения требуемой
функциональной характеристики также используются свойства смещенного
в прямом направлении p-n-перехода диода или биполярного транзистора.
Они также входят в качестве отдельных узлов в различные устройства,
выполняющие математические операции

33. Компаратор на ОУ

33
Компаратор на ОУ
Диод и резистор согласуют выходные
уровни ОУ с уровнями ТТЛ
Компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой
два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на
увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два
аналоговых входа и один цифровой выход

34. Компаратор с гистерезисом на ОУ

34
Компаратор с гистерезисом на ОУ
Положительная обратная связь
вводит гистерезис: переключение
происходит при разных уровнях,
что повышает защищенность от
помех и шумового сигнала.

35. Компаратор напряжения

35
Компаратор напряжения
Выход компаратора напряжения представляет собой выход с
открытым коллектором. На этом выходе нет положительного
сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом
и источника питания. К выходу компаратора подключают
нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы
обеспечить сигнал высокого уровня определенной величины,
поступающего на вход следующего элемента схемы.

36.

Инерционные нелинейные
усилительные каскады на
ОУ

37. Аналоговый интегратор

37
Аналоговый интегратор
Схема интегратора схожа со схемой инвертирующего усилителя с
той разницей, что наличие в цепи обратной связи конденсатора,
приводит к тому, что работа схемы зависит от частоты входного
сигнала.

38. Аналоговый дифференциатор

38
Аналоговый дифференциатор
В схеме дифференциатора емкостное сопротивление, зависящее от
частоты,
включено
на
входе
устройства,
аналогичного
инвертирующему усилителю. Это также приводит к тому, что работа
схемы зависит от частоты входного сигнала.

39. Фазовращатель

39
Фазовращатель
Схема, обеспечивающая идеальный фазовый сдвиг, должна
передавать сигнал, не изменяя его амплитуду, но сдвигая его фазу на
определенный заданный угол.
Выражение для выходного напряжения схемы фазовращателя имеет
следующий вид:

40. Активный фильтр низких частот

40
Активный фильтр низких частот
Фильтры предназначены для избирательного выделения полезного
сигнала из смеси шумов, помех и самого сигнала. Фильтры
характеризуются полосой пропускания, резонансной частотой,
эффективностью выделения или ослабления полезного или
мешающего сигнала. Фильтр, изображенный на схеме, представляет
собой фильтр второго порядка, так называемый фильтр Баттерворта, с
крутизной 12 дБ.
При R1=R2=R; С1=2*С2 граничную частоту можно определить
воспользовавшись следующим соотношением:

41. Активный фильтр высоких частот

41
Активный фильтр высоких частот
Если в схеме фильтра НЧ поменять местами резисторы и
конденсаторы, он станет выполнять функции фильтра высоких
частот. Фильтр, изображенный на схеме, представляет собой
фильтр второго порядка, так называемый фильтр Баттерворта, с
крутизной 12 дБ.
При R1=R2=R; С1=2*С2 граничную частоту можно определить
воспользовавшись следующим соотношениям:

42. Активный полосовой фильтр

42
Активный полосовой фильтр
Функцию полосового фильтра, выделяющего сигнал в определённом
диапазоне – «полосе» – частот, можно реализовать, включив фильтры НЧ
и ВЧ последовательно.
– передаточная характеристика.

43. THE END!

44. Задание №1

Для приведенных в лекции схем на ОУ вывести
формулы их коэффициентов передачи, пользуясь
двумя правилами анализа схем на ОУ, двумя
правилами
Кирхгоффа
и
формулой
для
реактивного сопротивления ёмкости.