Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 43

Операционные усилители

Появление справочных пособий по проектированию устройств на интегральных схемах, можно считать, означает завершение очередной смены элементной базы электронной аппаратуры: если ранее транзисторы вытеснили электронные лампы, то теперь на смену транзисторам пришли интегральные схемы. Такие смены происходят за период деятельности одного поколения инженеров, которым поэтому, как в известной сказке, приходится бежать изо всех сил, чтобы остаться на месте , т. е. чтобы не отставать от современных требований своей специальности. Помогает поддерживать такой темп оперативная публикация подобных книг,где практическими примерами представлена фактически вся современная элементная база - от операционных усилителей до микропроцессоров.

Помимо профессионального использования содержащихся в книге данных разработчики электронной аппаратуры и специалисты по электронике найдут в ней материал для сравнительной оценки достижений зарубежной интегральной схемотехники. При этом отсутствие ряда отечественных аналогов приборам, представленным в таблицах, указывает как на самостоятельный путь развития отечественной электронной промышленности, так и на возможное ее отставание в некоторых областях. В последнем случае приведенные в справочных таблицах интегральные схемы могут служить перспективными ориентирами для разработчиков.

Однако специфика используемой на Западе аппаратуры часто приводит к излишне широкой номенклатуре заказных интегральных схем, вероятность применения аналогов которых в наших условиях невелика. По этой причине, а также с целью сокращения объема книги при ее переводе полностью опущена глава, в которой рассматриваются приборы телефонной связи, удовлетворяющие прежде всего требования телефонных систем США. Кроме того, учитывая появление в последнее время ряда монографий по проектированию активных фильтров на операционных усилителях, почти полностью опущена глава по активным фильтрам (за исключением раздела по применению операционных усилителей, который перемещен в гл. 1),

6 Предисловие редактора перевода

При переводе книги на русский язык и ее редактировании возникли некоторые терминологические трудности. Вероятно, не все используемые в русском переводе термины следует считать окончательными, но можно надеяться, что они помогут выработ-. ке терминологии в этой обширной и быстро растущей области.

Книга может служить настольным пособием для разработчиков схем и систем. Инженеру-практику она поможет поддерживать творческую форму , являясь полезным источником идей, радиолюбителю же она даст возможность разобраться в работе самых современных приборов.

Перевод выполнен М. Г. Драмбян (гл. 3, 4), К. Д. Козловым (гл. 6, 7, разд. 11.1, 11.2, 12.1, кроме разд. 12.1 в, 12,2, 12,3), М. Н. Микшисом (гл. 2, 5, 9), канд. техн. наук И. Н. Теплюком (предисловие, гл. 1), канд. техн. наук Е. А. Чахмахсазян (гл. 8)! и канд. техн. наук Ф. М. Яблонским (гл. 10, разд. 11.3, 11.4, 11.5, 12.1b, 12.4),

И. Н. Теплюк

Моей жене Эллен и детям' Говарду, Бонни и Робину ,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интегральные схемы (ИС) значительно упростили проектирование сложных аналоговых и цифровых схем. За последние два десятилетия многочисленные изготовители буквально завалили рынок самыми разнообразными ИС.

Инженеру или технику, перед которым встает задача выбора ИС и проектирования схемы, приходится перебирать множество каталогов ИС, предлагаемых разными изготовителями, лишь изредка встречая при этом краткие рекомендации по их применению, прежде чем ему удается подобрать оптимальные ИС и схемы, соответствующие заданным требованиям.

Содержащиеся в каталогах сведения полезны для выяснения рабочих и предельных параметров конкретного прибора, но не могут служить ориентиром для выбора ИС, так как не сообщают сравнительных характеристик приборов разного типа. Кроме того, упомянутые каталоги и рекомендации ограничиваются описанием ИС конкретного изготовителя и построены по принципу описания типов ИС, а не условий их применения.

Данная книга преследует двоякую цель, уделяя одинаковое внимание как применению ИС, так и выбору надлежащего прибора. При этом квалифицированными специалистами указываются предпочтительные схемы на ИС, что дает в руки проектировщика проверенное на практике решение часто встречающихся задач. Книга не заменяет каталоги ИС, ибо едва ли целесообразно было бы включить в нее подробные параметры всех упоминаемых ИС. Вместо этого даются сравнительные таблицы выбора приборов, что вместе с подробным анализом примеров проектирования поможет разработчику выбрать наилучший прибор и наиболее целесообразную схему для конкретного применения.

Операционные усилители рассматриваются в гл. 1. Описывается принцип работы, дается обзор практического использования ОУ, иллюстрируемый многочисленными схемами. Представлены сравнительные таблицы параметров ОУ, облегчающих выбор прибора.

В гл. 2 обсуждаются выбор и применение функциональных схем типа перемножителей, генераторов сигналов, преобразователей напряжение - частота и частота - напряжение и т. д.

Теория, проектирование и выбор конфигурации схем фазовой автоподстройки частоты и соответствующих приборов рассматриваются в гл. 3.

ИС таймеров представлены в гл. 4, причем подробно рассматриваются анализ, расчет, выбор и применение этих универсальных приборов.

Гл. 5 по ИС управления источниками вторичного питания посвящена описанию работы последовательных и импульсных стабилизаторов, а также оптимальному выбору этих приборов и схем на их основе.

Принципы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования рассматриваются в гл. 6. Обсуждаются различные схемные конфигурации и указываются предпочтительные из них на основе аргументированного выбора.

Гл. 7 представляет логические схемы малой степени интеграции, причем подробно описываются различные логические приборы и их ограничения.

Логические схемы средней степени интеграции описаны в гл. 8. Обсуждается применение этих приборов в конечных автоматах и комбинационной логике и даются рекомендации по выбору прибора.

В гл. 9 обсуждается процесс выбора оптимального микропроцессора для заданного применения. Подробно освещаются также вопросы архитектуры кристалла, программного обеспечения и другие вопросы проектирования.

Гл. 10 посвящена оптоэлектронике. Принцип действия, применение и выбор светодиодов, различных индикаторов и оптопар рассматриваются на многочисленных практических примерах выбора и расчета устройств.

Периферийные приборы на основе БИС рассматриваются в гл. 11. Описываются принцип действия, применение и выбор устройств ввода-вывода, контроллеров электронно-лучевых трубок и гибких магнитных дисков.

Применение и выбор интерфейсных схем представлены в гл. 12 на примере линейных схем формирователей напряжения возбуждения внешних устройств и индикаторов.

Остается выразить благодарность многочисленным соавторам этого труда и представляемым ими фирмам за усилия, приложенные ими для того, чтобы сделать эту книгу как можно более всеобъемлющим пособием по практическому использованию ИС.

А. Б. Уильяме

Глава 1

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

А. Уильяме)

1.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционный усилитель (ОУ) является, вероятно, наиболее популярным и универсальным узлом, используемым в электронной схемотехнике. Этот прибор обеспечивает решение многочисленных h разнообразных задач по линейной и нелинейной обработке электрических сигналов.

До разработки в середине 60-х годов монолитного прибора [,iA709 операционные усилители собирались на дискретных элементах и были относительно дорогими. С тех пор появилось много новых поколений операционных усилителей со специальными и улучшенными характеристиками.

1.1а. Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель представляет собой усилитель с непосредственными связями при двух входных и одном выходном зажимах, обладающий большим коэффициентом усиления. Условное обозначение его показано на рис. 1.1, а, а эквивалентная схема представлена на рис. 1.1,6. Выходное напряжение Vbhx равно разности приложенных к входным зажимам напряжений, умноженной на коэффициент усиления Ао. Изменение в положительном направлении сигнала, приложенного к положительному (+) входному зажиму, вызывает положительное изменение выходного сигнала; поэтому этот зажим (+) называется неинвертирующим входом. Изменяющийся в положительном направлении сигнал, приложенный к отрицательному (-) входному зажиму, вызывает изменение выходного сигнала

) Arthur В. Williams, Vice President of Engineering, Research, and Deve lopment, Coherent Communications Systems Corp., Hauppauge, N. Y.

В отрицательном направлении; поэтому отрицательный зажим называется инвертирующим входом.

Поскольку значение Ао обычно очень велико, прибор обеспечивает довольно высокий коэффициент усиления для дифференциального входного сигнала. А сигнал, прикладываемый к обоим входам одновременно (синфазный входной сигнал), не дает реакции на выходе, поскольку в данном случае дифференциальный

входной сигнал равен нулю.

Усилитель обладает входным .(-вх) и полным выходным (/?вых) сопротивлениями, которые в идеальном случае равны бесконечности и нулю соответственно. Коэффициент усиления также считается равным бесконечности.

а

Рис. I.I. Операционный усилитель. Рис. 1.2. Инвертирующий усилитель. Условное обозначение (а); эквива- .

рентная схема (б).

Инвертирующий усилитель. При наличии отрицательной об- ратной связи с выхода на инвертирующий вход в случае идеального усилителя дифференциальное входное напряжение стремится к нулю. Это явление, называемое эффектом кажущейся земли, позволяет использовать инвертирующий вход в качестве токового суммирующего узла, что, в свою очередь, создает многочисленные полезные схемные конфигурации усилителей и упрощает анализ схем.

Схема инвертирующего ОУ показана на рис. 1.2. Для идеального усилителя дифференциальное входное напряжение Vex становится равным нулю и сравнивает инвертирующий вход с по-!тенциалом земли из-за отрицательной обратной связи через резистор Rz. Токи через резисторы можно определить по формулам

h = VjRi. (1.1)

/2=-W 2. (1.2)

Поскольку усилитель считается идеальным, входное сопротивление равно бесконечности, и в инвертирующий вход не поступает ток. По этой причине токи /i, /2 должны быть равны. После приравнивания правых частей формул (1.1) и (1.2) и решения относительно коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи получим

л=1вых/вх=-ад1. (1.3)

Отсюда можно заключить, что коэффициент усиления схемы идеального инвертирующего усилителя равен отношению сопротивлений двух резисторов и не зависит от самого усилителя.

Рис. 1.3. Неинвертирующий усилитель. Рис. 1.4. Повторитель напряжения.

Входное полное сопротивление равно Ru а выходное равно нулю, Неинвертирующий усилитель. Рассмотрим теперь операционный усилитель в неинвертируюшем включении согласно схеме на рис. 1.3. Благодаря отрицательной обратной связи дифференциальное входное напряжение Vbx стремится к нулю, в результате чего напряжение Vri на резисторе R\ будет равно Vbx. Посколь' ку резисторы Ri и R2 образуют делитель напряжения, выходное напряжение должно быть равно

Vri (Ri -f Rd/Ri = Fbx (Ri + Wi.

что можно также переписать в виде

FBb,x/FBX=H-(i?2/i?l).

(1.4)

(1.5)

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя задается отношением сопротивлений двух резисторов плюс 1. Входное сопротивление равно бесконечности, а выходное -нулю.

Если взять специальный случай, когда сопротивление резистора Ri равно бесконечности, а R2 - нулю, то получается схема повторителя напряжения (рис. 1.4). Здесь коэффициент усиления равен единице, входное сопротивление бесконечно большое^ а выходное равно нулю. Эта схема реализует те же буферные функции, что и катодный или эмиттерный повторитель.

1.16. Уравнение обратной связи

Чтобы вывести уравнение обратной связи для инвертирующего усилителя по схеме на рис. 1.2, вначале методом суперпозиции выразим Vt через входное и выходное напряжения. В результате получим

Vi = \R,I{R, -f /?2)] Fbx -f [Rm, + R] вых- (1-6)

Поскольку коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью составляет -Ао, в данное уравнение можно вместо V/ подставить отношение -Увъш/Ао. После перегруппировки членов получим выражение общего коэффициента передачи с замкнутой петлей обратной связи

Ао = IRARi + RM- 1/Л - RMi + Rl (1-7)

где

Л=1Еых/вх- Если принять = Ri/iRiR2), то

l- = R2/{Ri + R2)-

Если теперь ввести в уравнение (1.7) параметр р, то общее выражение коэффициента передачи с замкнутой петлей обратной связи примет вид

Л = (1-р)/(-1Мо-р). (1.8)

или в предпочтительной форме

Л, (инверт.) = Ло (р - 1)/(1 + Лор). (1.9)

Далее рассмотрим неинвертирующее включение по схеме рис. 1.3. На основе эффекта делителя напряжения можно написать

Vr, [RARi + R2)] Fbhx = Р 1вь.х. (1-10)

Также очевидно, что

Vi = V -Vr,. (1.11)

Далее, выходное напряжение определяется выражением

V,u. = Ao{V -Vr). (1.12)

Если заменить Vr на рКвых в соответствии с уравнением (1.10) и затем решать относительно усиления с замкнутой петлей обратной связи, то получим

ЛЛнeинвepт) = Лo/(l-f Лор). (1.13)

Выражения (1.9) и (1.13) являются общими уравнениями обратной связи для инвертирующего и неинвертирующего вклю-

1.1 в. Список терминов

Следующие термины определяют параметры операционных усилителей.

Время нарастания: время, необходимое ступенчатому выходному напряжению для увеличения от 10 до 90 % своей полной амплитуды.

Время установления: время, необходимое ступенчатому выходному напряжению для достижения заданного диапазона окончательных значений.

Входная емкость: емкость между двумя входными зажимами при заземлении любого из них.

Входное сопротивление: сопротивление между входными зажимами при заземлении любого из них.

Входное сопротивление для синфазного сигнала: параллельное соединение сопротивлений, измеренных при малых сигналах между входными зажимами и землей.

Входной ток смещения: среднее значение двух входных токов при пулевом выходном напряжении.

Выходное сопротивление: внутреннее сопротивление для малого сигнала эквивалентного источника со стороны выходного зажима при напряжении на выходе, близком к нулю.

Диапазон входных напряжений: диапазон напряжений е вольтах на любом входном зажиме, который нельзя превышать для обеспечения нормальной работы.

Запас усиления: величина усиления в децибелах ниже уровня О дБ при фазовом сдвиге 180°.

Запас фазы: величина (в градусах) фазового сдвига коэффициента передачи по петле ниже значения 180°, измеренная на. частоте единичного усиления.

Коэффициент перегрузки: отношение максимальной девиации величины выходного сигнала к установившемуся значению его при ступенчатом входном сигнале.

Коэффициент подавления синфазного сигнала: отношение коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов. , . : -.

чений усилителя. Они должны быть знакомы тем, кто изучал системы обратной связи или теорию автоматического регулирования. Параметр р называется коэффициентом обратной связи, так как представляет ту часть выходного сигнала, которая подается обратно на вход. Произведение Лор рассматривается как петлевое усиление или усиление по петле обратной связи . Значение этих уравнений будет продемонстрировано в разд. 1.2.

1.2. ПАРАМЕТРЫ ПРАКТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ 1.2а. Скелетная схема усилителя

Упрощенная схема типового операционного усилителя приведена на рис. 1.5. Входной каскад представлен дифференциальным усилителем, который оказывает основное влияние на рабочие параметры. Второй дифференциальный усилитель обеспечивает

Коэффициент разделения, каналов: отношение изменения вЫ ходного напряжения возбуждаемого канала к соответствующему изменению на выходе другого канала.

Коэффициент усиления напряжения больиюго сигнала: отно* шение максимального размаха (от пика до пика) выходного напряжения к соответствующему изменению входного сигнала.

Максимальный размах (от пика до пика) выходного напрЯ' жения: максимальное выходное напряжение до ограничения при нулевом постоянном выходном напряжении покоя.

Напряжение смещения: напряжение, которое необходимо дифференциально подать на входные зажимы через два одинаковых резистора для получения нулевого выходного напряжения.

Напряжение шума: напряжение идеального источника, включаемого последовательно с входными зажимами для представления создаваемых внутри усилителя источников шума.

Общая выделяемая мощность: общая подводимая к прибору от источника постоянного тока мощность без мощности, отдавае-. мой в нагрузку.

Разность входных токов (ток смещения): разность двух входных токов при нулевом выходном напряжении.

Скорость нарастания: скорость изменения выходного напряжения при подаче ступенчатого напряжения на вход.

Ток короткого замыкания: максимальный выходной ток при замыкании выходного зажима на землю.

Ток питания: ток, поступающий в усилитель от источника питания при отсутствии нагрузки и нулевом выходном напряжении.

Ток илума: ток идеального источника тока, включаемого параллельно входным зажимам для представления создаваемых внутри усилителя источников шума.

Частота единичного усиления: частота, при которой коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен единице.

Чувствительность к источнику питания: отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению напряжения источника питания.

1 2 3 4 ... 43