Операционный усилитель и его назначение
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Ноября 2013 в 14:12, реферат
Краткое описание
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. Всё 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.
Содержание
Операционный усилитель и его назначение.........................................................3
Виды модуляции и их отличия...............................................................................8
Амплитудная модуляция.....................................................................................8
Угловая модуляция.............................................................................................10
Импульсная модуляция.....................................................................................12
Список использованной литературы...................................................................16
Прикрепленные файлы: 1 файл
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный технический университет радиотехники,
электроники и автоматики»
Факультет электроники
Кафедра технической электродинамики и электроники
Реферат
по курсу «Микросхемотехника»
Выполнил:
Проверил:
Москва
2013
Оглавление
Операционный усилитель и его назначение.........................................................3
Виды модуляции и их отличия...............................................................................8
Амплитудная модуляция.....................................................................................8
Угловая модуляция.............................................................................................10
Импульсная модуляция.....................................................................................12
Список использованной литературы...................................................................16
2
Операционный усилитель и его назначение
Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный
усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к
электрическим параметрам:
коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности
(
K
U
→∞
);
входное сопротивление стремится к бесконечности ( R
вх
→∞ );
выходное сопротивление стремится к нулю (
R
вых
→0
);
если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также
равно нулю ( U
вх
=0→U
вых
=0 );
бесконечная полоса усиливаемых частот (
f
в
→∞
).
Операционный усилитель, обладая колоссальным коэффициентом
усиления по напряжению, никогда (за редким исключением) не используется
без обратной связи.
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. Всё
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). Так, если
требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 10, то
стандартный ОУ с коэффициентом усиления 25000 можно рассматривать для
3
этого случая как идеальный.
Операционный усилитель — это аналоговая интегральная схема (АИС),
снабжённая, как минимум, пятью выводами. Её условное графическое
изображение приведено на рис. 1. Два вывода ОУ используются в качестве
входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода
используются для подключения источника питания ОУ. С учётом фазовых
соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход
1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) — инвертирующим.
Выходное напряжение
U
вых
связано с входными напряжениями U
вх1
и U
вх2
соотношением
U
вых
=K
U0
(U
вх1
−U
вх2
) ,
где K
U0
— собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Рис. 1. Условное графическое изображение ОУ
Из приведённого выражения следует, что ОУ воспринимает только
разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным
сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения,
воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).
Как было отмечено ранее, K
U0
в ОУ должен стремиться к
бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 10
5
…10
6
или 100…120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник
напряжения ( +E
п
, −E
п
). Средний вывод этого источника, как правило,
4
U
вх1
U
вх2
Вход 1
Вход 2
+E
п
−E
п
Выход
R
н
U
вых
является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве
случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в
диапазоне ±3…±18 В. Использование источника питания со средней точкой
предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как
входного, так и выходного напряжений ОУ.
Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые
используются для подключения внешних цепей частотной коррекции,
формирующих требуемый вид ЛАЧХ усилителя.
Реализация перечисленных выше требований к электрическим
параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя,
поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных
усилителей постоянного тока.
Функциональная схема трёхкаскадного ОУ приведена на рис. 2. Она
включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления.
Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая
реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ
дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально
уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое
усиление, обеспечить получение максимально высокого входного
сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные
составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды,
изменением напряжения питания, старением элементов и т.п.
Рис. 2. Структурная схема трёхкаскадного ОУ
Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала
дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая
необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование
фаз сигналов.
5
Входной
каскад
Согласующий
каскад
Выходной
каскад
U
вх
U
вых
Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двухтактной
схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности.
Операционный
усилитель
является
сложным
электронным
устройством, правильное применение которого зависит от понимания
особенностей его работы и знания основных требований, которые он
предъявляет к схемам разрабатываемого ЭС. Рассмотрим основные
параметры ОУ, характеризующие его работу.
Коэффициент
усиления
по
напряжению
K
U0
=ΔU
вых
/ΔU
вх
характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы
дифференциальный сигнал.
Входное напряжение смещения — это напряжение, которое
обусловлено, в основном, неидентичностью напряжений эмиттерных
переходов транзисторов входного дифференциального усилителя. Наличие
этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому
U
вых
=0 при U
вх
=0 . Численно входное напряжение смещения определяется
как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того,
чтобы его выходное напряжение было равно нулю. Иногда это напряжение
называют напряжением сдвига нуля ( U
см
). Типовое значение этого
напряжения — единицы или десятки милливольт.
Входной ток I
вх
(входной ток смещения) — ток, протекающий во
входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима
работы его транзисторов по постоянному току. Типовое значение этого тока
колеблется от единиц микроампер до сотен наноампер.
Разность входных токов Δ I
вх
(ток сдвига). Природа этого тока
кроется в основном в неодинаковости коэффициентов передачи тока h
21Э
транзисторов входного каскада ОУ. Численно он равен модулю разности
входных токов усилителя Δ I
вх
=∣I
вх1
−I
вх2
∣ . Типовое значение параметра —
от единиц микроампер до единиц и десятых долей наноампера.
6
Входное сопротивление R
вх
. Различают дифференциальное входное
сопротивление R
вх диф
и синфазное входное сопротивление R
вх син
.
R
вх диф
определяется как сопротивление между входами усилителя, а
R
вх син
— как сопротивление между объединёнными входными выводами и
нулевой шиной.
Типовое значение входного сопротивления — сотни килоом.
Выходное сопротивление R
вых
— это сопротивление усилителя,
рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение
выходного сопротивления — сотни ом.
Коэффициент подавления синфазного сигнала K
псф
определяет
степень подавления (ослабления) синфазной составляющей входного
сигнала. Его типовое значение — 50…70 дБ.
Максимальная скорость изменения выходного напряжения ( V )
характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных
схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы.
Типовое значение скорости изменения выходного напряжения — единицы
вольт на микросекунду.
Частота единичного усиления F
max
— это частота, на которой модуль
коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не
превышает нескольких мегагерц.
Кроме перечисленных обычно задаются и предельно допустимые
значения основных эксплуатационных параметров:
максимально допустимое напряжение питания;
максимально допустимый выходной ток;
диапазон рабочих температур;
максимально допустимая рассеиваемая мощность;
максимально допустимое входное синфазное напряжение;
максимально допустимое входное дифференциальное напряжение и др.
7
Виды модуляции и их отличия
Амплитудная модуляция
Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание
высокой частоты — несущее колебание. Процесс преобразования первичного
сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров
несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т.е. в
наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и
называется модуляцией.
Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, в
следующем виде: υ
0
(t)=V cos(
ω
t+
φ
)
.
Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами:
амплитудой V , частотой ω и начальной фазой φ . Модуляцию можно
осуществить изменением любого из трёх параметров по закону
передаваемого сигнала.
Изменение
во
времени
амплитуды
несущего
колебания
пропорционально первичному сигналу s(t) , т.е V (t)=V +k
АМ
s(t) , где
k
АМ
— коэффициент пропорциональности, называется амплитудной
модуляцией (АМ).
Несущее колебание υ
0
(t) с модулированной по закону первичного
сигнала амплитудой υ(t)=V (t)cos(ω t+φ ) . Если в качестве первичного
сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой
частотой Ω ) s(t)=S cosΩ t , то модулированное колебание запишется в виде
(для упрощения взято φ=0 ): V (t)=(V+k
АМ
S cosΩ t)cosω t .
Вынесем за скобки V и обозначим ΔV=k
АМ
S и M
АМ
=ΔV /V . Тогда
υ(t)=V (1+M
АМ
cosΩ t)cosω t .
Параметр M
АМ
=ΔV /V называется глубиной амплитудной модуляции.
При M
АМ
=0 модуляции нет и υ(t)=υ
0
(t) , т.е. получаем немодулированное
8
несущее колебание. Обычно амплитуда несущего выбирается больше
амплитуды первичного сигнала, так что M
АМ
≤1 .
На рис. 3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего
колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несущего
колебания (в).
Рис. 3. Передаваемый сигнал (а), несущее колебание (б) и модулированный сигнал (в)
Можно получить, что амплитудно-модулированное колебание
υ(t)=V cosω t+(M
АМ
V /2)cos(ω+Ω)t+(M
АМ
V /2)cos(ω−Ω )t состоит из
суммы трёх гармонических составляющих с частотами ω , ω
+
Ω и ω
−
Ω и
амплитудами соответственно V , M
АМ
V /2 и M
АМ
V /2 . Таким образом,
спектр амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит
из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных
относительно несущей, с одинаковыми амплитудами (рис. 4, б). Спектр
первичного сигнала s(t) приведён на рис. 4, а.
Если первичный сигнал сложный и его спектр ограничен частотами
Ω
min
и Ω
max
(рис. 4, в), то спектр АМ-колебания будет состоять из несущего
колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей
(рис. 4, г).
9
Анализ энергетических соотношений показывает, что основная
мощность АМ-колебания заключена в несущем колебании, которое не
содержит полезной информации. Нижняя и верхняя боковые полосы несут
одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.
Рис. 4. Спектры синусоидального (а) и сложного (в) сигналов и
модулированных ими по амплитуде несущих колебаний (б и г)
Угловая модуляция
Можно изменять во времени пропорционально первичному сигналу
s(t) не амплитуду, а частоту несущего колебания:
ω(t)=ω+k
ЧМ
s(t)=ω+Δω cosΩ t ,
где k
ЧМ
— коэффициент пропорциональности; Δω /Ω=M
ЧМ
— индекс
частотной модуляции; величина Δω=k
ЧМ
S называется девиацией частоты
(фактически это максимальное отклонение частоты модулированного сигнала
от частоты несущего колебания).
Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рис. 5
показано изменение частоты несущего колебания при частотной модуляции.
При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию
φ (t)=φ+k
ФМ
s(t)=φ+Δφ cosΩ t ,
где k
ФМ
— коэффициент пропорциональности; Δφ=k
ФМ
S=M
ФМ
— индекс
фазовой модуляции.
По внешнему виду сигнала υ(t) трудно различить, какая модуляция
10
применена — частотная или фазовая. Часто оба эти вида модуляции
называют угловой модуляцией, а M
ЧМ
и M
ФМ
— индексами угловой
модуляции.
Рис. 5. Исходный (а) и частотно-модулированный (б) сигналы
Спектр модулированной несущей при угловой модуляции даже пр
гармоническом первичном сигнале s(t) состоит из бесконечного числа
дискретных составляющих, образующих нижнюю и верхнюю боковые
полосы спектра, симметричные относительно несущей частоты и имеющие
одинаковые амплитуды (рис. 6).
Рис. 6. Спектр частотно-модулированного сигнала
В случае, если первичный сигнал s(t) имеет форму, отличную от
синусоидальной, и занимает полосу частот от Ω
min
до Ω
max
, то спектр
модулированного колебания при угловой модуляции будет иметь ещё более
сложный вид.
Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего
колебания по амплитуде. частоте или фазе дискретными первичными
сигналами s(t) , например телеграфными или передачи данных. На рис. 7
11
показан дискретный первичный сигнал (а), несущее колебание,
модулированное по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г).
Рис. 7. Дискретный сигнал (а) и несущее колебание, модулированное
этими сигналами по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г)
Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом
s(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран
непрерывный периодический сигнал υ
0
(t) .
Сравнение различных видов непрерывной модуляции позволяет
выявить их особенности. При амплитудной модуляции ширина спектра
модулированного сигнала, как правило, значительно меньше, чем при
угловой модуляции (частотной или фазовой). Таким образом, налицо
экономия частотного спектра: для амплитудно-модулированных сигналов
можно отводить при передаче более узкую полосу частот. Это особенно
важно при построении многоканальных систем передачи.
Импульсная модуляция
Часто
в
качестве
переносчика
используют
периодическую
12
последовательность сравнительно узких импульсов. Последовательность
прямоугольных импульсов одного знака υ
0
(t) характеризуется параметрами
(рис. 8): амплитудой импульсов V ; длительностью (шириной) импульсов τ
и
; частотой следования (тактовой частотой) f
Т
=1/T , где T — период
следования импульсов ( ω=2π f
Т
); положением (фазой) импульсов
относительно тактовых (отсчётных) точек. Отношение T /τ
и
называется
скважностью импульса.
Рис. 8. Периодическая последовательность узких импульсов
По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять
(модулировать) любой из перечисленных параметров импульсной
последовательности. При этом модуляция называется импульсной.
В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным
сигналом s(t) , различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ),
когда по закону передаваемого сигнала (рис. 9, а) изменяется амплитуда
импульсов (рис. 9, б); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), когда
изменяется ширина импульсов (рис. 9, в); частотно-импульсную модуляцию
(ЧИМ) — изменяется частота следования импульсов (рис. 9, г); фазо-
импульсную модуляцию (ФИМ) — изменяется фаза импульсов, т.е. временное
положение относительно тактовых точек (рис. 9, д).
Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ).
Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и
частотной модуляциями синусоидального колебания.
В качестве примера на рис. 10 показан спектр АИМ-сигнала при
модуляции импульсной последовательности сложным первичным сигналом
13
s(t) с полосой частот от 0 до Ω . Он содержит спектр исходного сигнала
s(t) , все гармоники тактовой частоты ω
Т
(т.е. частоты 2ω
Т
, 3ω
Т
, 4ω
Т
и
т.д.) и боковые полосы частот около гармоник тактовой частоты.
Рис. 9. Виды импульсной модуляции
Рис. 10. Спектр АИМ-сигнала
Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют ещё более сложный вид.
Импульсные последовательности, изображённые на рис. 9, называются
последовательностями
видеоимпульсов.
Если
позволяет
среда
распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных
преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать
видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени
преобразования (модуляции).
Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее
колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые
14
способны распространяться в эфире. Полученные в результате сочетания
первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия
АИМ−АМ, ФИМ−АМ, ФИМ−ЧМ и др.
Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет
меньшую ширину спектра по сравнению с ФИМ и ШИМ. Однако последние
более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода
модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по
различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала,
помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять
вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.
15
Список использованной литературы
1. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный
курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров;
Под ред. О.П. Глудкина. — М.: Горячая линия — Телеком, 2000. —
768 с.: ил.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с
англ. — 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993. — 413 с., ил.
3. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.
Том 1 — Современные технологии / Б.И. Крук, В.Н. Попантонопуло,
В.П. Шувалов; под ред. профессора В.П. Шувалова. — Изд. 3-е, испр. и
доп. — М.: Горячая линия — Телеком, 2003. — 647 с.: ил.
16
Информация о работе Операционный усилитель и его назначение