Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Ишимбайский нефтяной колледж
Р Е Ф Е Р А Т
по электронике на тему:
«Операционные усилители и их применение»
Выполнил: студент группы ЭП11-10
Халитов А. М.
Проверил: преподаватель Брылякова Е.А.
Ишимбай – 2010 год
СОДЕРЖАНИЕ׃
Введение..................................................................................................................3
1. Типы операционных усилителей.......................................................................4
2. Отличительные особенности оптронов ...........................................................6
3. Обобщенная структурная схема.....................................................................10
4. Применение........................................................................................................10
Заключение.............................................................................................................11
Литература..............................................................................................................12
Введение
Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широкоиспользуемый в современных схемах формирования и преобразованияинформационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и вцифровой технике.
Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, преждевсего такие усилители получили применение для выполнения операцийсуммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования, инвертированияи т. д. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованныебалансные схемы усиления.
Усложнение схем операционных усилителей (современные операционныеусилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек: регистров,диодов, транзисторов, конденсаторов), использование генераторов стабильныхтоков и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу возможныхприменений операционных усилителей.
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математическихопераций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W былразработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились впродаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семьгерманиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличениюнадежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеровспособствовали развитию интегральных микросхем, которые были разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУmА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году.В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Этиусилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, чтоспособствует их массовому распространению.ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкимизначениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются ототдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУпочти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителяи отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того,благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различныхэлектронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем надискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы вкачестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговойсхемотехники.
1. Типы операционных усилителей В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральныхОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общейтехнологией и схемотехникой, точностными, динамическими илиэксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться,т.е. включать общие элементы. С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можноразделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарныхполевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУполевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычноиспользуются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счетэтого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи. Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения.Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 - 200 000; Uсм = 0,1 - 20мВ; fт = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411. Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеютвысокие динамические характеристики (fт = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в cостав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы,относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению сосвободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростьюзаряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют,используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевыетранзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив токдифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случаеувеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость.Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны кнеустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634. Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициентусиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной токобычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путемусовершенствования каскадов усиления по напряжению или применениемтрехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию.Радикально уменьшить смещение нуля позволяе применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание).Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652,140УД24, МАХ430 (с прерыванием). Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют оченьмалый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток неболее 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычноневысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромиссмежду малым потреблением и низким быстродействием некоторые моделимикромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеетспециальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общейточкой или источником питания определенной полярности. Сопротивлениерезистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняютфункции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадовусилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействияОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату.Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потреблениядля микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ,как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18В при токе потребления 15 мкА.Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразноиспользовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволитпитать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевогоэлемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ соднополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала долженпростираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного кпотенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограниченснизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуютусилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигаюти верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход ивыход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы.Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В. Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющиена одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 иОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипныхусилителя. Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУрассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание отисточников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например,пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических ибиологических исследований. Поэтому промышленность производитвысоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходноенапряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющиеразность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых(монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтныхтранзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтомубольшинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в видегибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производитполупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальнымнапряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходнымтоком до 14 А. Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощнымобычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примеромполупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходнымтоком до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnologyвыпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 Аи способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостномохлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможнопутем использования режима класса D. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией начастоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПДусилителя достигает 98%.2. Основные параметры ОУ