|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100
Несколько основных вариантов применения операционного усилителя К140УД1Б(КУД401Б)
Н. ГАВРИЛИН
Термин «операционный усилитель» первоначально обозначал конкретный тип усилителя, применяемого в аналоговых вычислительных машинах для выполнения чисто математических операций, таких как суммирование, вычитание, интегрирование и дифференцирование.
Однако многосторонние возможности операционного усилителя сделали его ныне основным унифицированным узлом практически в любой области электроники. ОУ используются в составе нормирующих преобразователей, стабилизаторов напряжения, активных фильтров, генераторов функций, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также многих других устройств.
Операционный усилитель применяется, как правило, в качестве активного элемента в схемах с обратными связями. При достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя передаточная характеристика устройства, выполненного на его основе, определяется только параметрами цепей обратной связи.
Вниманию читателя предлагаются несколько широко распространенных в радиолюбительской практике схем с применением в них операционного усилителя К140УД1Б.
Краткое описание микросхемы. Микросхема К140УД1Б конструктивно оформлена в герметичном металлостеклянном двенадцатиштырьковом корпусе (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид микросхемы К140УД1Б
Принципиальная схема приведена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема операционного усилителя К140УД1Б
Микросхема имеет три каскада усиления. Первый, и второй каскады — дифференциальные. Режим работы транзисторов входного каскада задается генератором тока на транзисторе Т3 (схема с общей базой). Его рабочая точка термостабилизирована транзистором Т6 в диодном включении.
Выходной каскад выполнен на транзисторах Т7, Т9, включенных по схеме с общим коллектором, и транзисторе Т8, который используется в качестве генератора тока.
Эмиттерный повторитель, транзистор Т7, обеспечивает развязку между вторым каскадом усиления (транзисторы Т4, Т5) и выходным каскадом.
Генератор тока (транзистор Т8) обеспечивает стабильное падение напряжения на резисторе R9 и тем самым — необходимый сдвиг уровня сигнала.
Эмиттерный повторитель (транзистор Т9) обеспечивает минимальное выходное сопротивление всего операционного усилителя.
Выходной каскад обладает коэффициентом усиления за счет положительной обратной связи по току. Приращение напряжения на резисторе R12 при изменении сигнала на эмиттере транзистора Т9 прикладывается к эмиттеру транзистора Т8.
Положительная обратная связь в выходном каскаде увеличивает размах выходного напряжения.
Транзистор Т8, включенный по схеме с общей базой, работает как отрицательное сопротивление за счет положительной связи
на его эмиттер, поэтому переменная составляющая на Т9 базе транзистора превышает в несколько раз аналогичную составляющую на эмиттере транзистора Т7.
Назначение выводов микросхемы: 1 — минус источника питания; 4—общий (земляной); 7 — плюс источника питания; 5—выход; 9 — инвертирующий вход; 10 — неинвертирующий вход; 2, 3 и 12 — предназначены для подключения внешних корректирующих цепей; 6,8 и 11 —свободные.
При установке микросхемы на печатную плату необходимо помнить, что неиспользуемые выводы микросхемы нужно подпаивать только к свободным (никуда не подключенным) контактным площадкам.
Основные электрические параметры микросхемы
Компенсация напряжения смещения нуля. Наличие разбросов номиналов компонентов ОУ и их температурный уход приводят к тому, что на выходе усилителя появляется некоторое постоянное напряжение смещения при отсутствии сигнала на входе. Это напряжение смещения пересчитывается на вход и поэтому не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Если, например, известно, что входное напряжение смещения нуля операционного усилителя составляет не более ±1 мВ и он используется в схеме с обратной связью, имеющей усиление 100, то выходное напряжение при нулевом входном сигнале будет лежать в пределах от +0,1 до —0,1 В.
Наличие какого бы то ни было напряжения смещения проявляется в виде постоянного напряжения ошибки на выходе при обращении входного сигнала в нуль. Полная компенсация напряжения
смещения нуля довольно сложная задача хотя бы из-за наличия температурных факторов, но в радиолюбительской практике хорошо работает устройство, схема которого представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема компенсации напряжения смещения нуля
Сопротивления резисторов R5—R8 выбраны такими, чтобы потенциалы в точках А и Б были примерно ±10 мВ (предельное значение напряжения смещения нуля).
При выборе номиналов остальных элементов необходимо учитывать следующее:
сопротивление резистора R3 должно быть больше сопротивления-резистора R4 по меньшей мере на порядок для уменьшения влияния положения движка резистора R4 на общее сопротивление цепи между выводом 10 и землей по постоянному току;
резисторы R1 и R2 обеспечивают необходимый коэффициент усиления усилителя Кu, при этом сопротивление резистора R1 должно удовлетворять неравенству R1 много больше Ri,
где Ri — внутреннее сопротивление источника сигнала;
сопротивление резистора R2 выбирается из условия:
Ku=R2/R1
сопротивление резистора R3 определяется по формуле:
R3=R1*R2/(R1+R2)
Если входной сигнал подается на инвертирующий вход через конденсатор, то R3 = R2.
Эти требования вытекают из необходимости обеспечения одинаковых падений напряжений во входных цепях от входных токов покоя микросхемы. Нулевой выходной сигнал устанавливается при помощи резистора R4 и измеряется вольтметром постоянного тока при нулевом входном сигнале.
Так как сигнал подается на инвертирующий вход, то выходное напряжение будет инвертировано (в противофазе) относительно входного. Коэффициент усиления усилителя при условии, что R1 >> Ri определяется отношением
Кu=-R2/R1
где знак — означает сдвиг по фазе на 180°.
При указанных на схеме номиналах Кu = —20.
Цепочка элементов C1R9 устраняет самовозбуждение усилителя.
При подключении к инвертирующему входу нескольких источников, как показано на рис. 4,
Рис. 4. Сумматор
такой усилитель превращается в суммирующий. Выходное напряжение при условии, что R1 >> Ri1; R2 >> Ri2; R3 >> Ri3 будет определяться выражением:
Усилители переменного напряжения. На рис. 5 приведен пример построения неинвертирующего усилителя переменного напряжения с разделительным конденсатором на входе. Особенностью данного усилителя является то, что в нем применена 100%-ная отрицательная обратная связь по постоянному току.
Рис. 5. Усилитель переменного напряжения
Входное сопротивление микросхемы (вывод 9) по постоянному току вместе с резистором R3 образует делитель напряжения с коэффициентом передачи примерно равным единице, так как Rвх>>R3. Таким образом, можно считать, что все выходное напряжение (постоянная составляющая) прикладывается ко входу, благодаря чему и осуществляется 100%-ная ООС по постоянному напряжению. А это позволяет пренебречь влиянием напряжения смещения нуля и не обеспечивать его компенсации.
На переменном напряжении, начиная с частоты
коэффициент усиления усилителя будет определяться делителем напряжения R1C2R3 в цепи ООС и составит:
Ku=(R1+R2)/R1=11
На рис. 6 представлен усилитель воспроизведения с большим входным сопротивлением благодаря использованию на его входе полевых транзисторов. В этом усилителе также применена 100%-ная ООС по постоянному напряжению. В отличие от предыдущей схемы рис. 5, здесь резистором R6 осуществляется компенсация напряжения смещения нуля, так как приведенное ко входу напряжение смещения нуля в этом устройстве гораздо больше, чем в предыдущем из-за разброса параметров полевых транзисторов.
Рис. 6. Усилитель воспроизведения
Форма амплитудно-частотной характеристики усилителя воспроизведения задается элементами ООС (L1, С1, С4, R1, R2, R8).
Элементы L1, C1, R1 формируют небольшой подъем АЧХ в области высоких частот, а элементы R2, C4,R8 — подъем в области низких частот (см. таблицу).
Таблица АЧХ усилителя воспроизведения
L1 — сердечник стержневой, М600НН — 3С2,8 X 14 380 витков ПЭВ-1 0,08.
Усилитель сигнала фотодиода (рис. 7). При малой освещенности фотодиода его выходное сопротивление может составлять несколько десятков мегаом. В качестве согласующего каскада использован истоковый повторитель, выполненный на транзисторах Т1 и Т2. Такое устройство обладает высокой стабильностью коэффициента передачи напряжения и высокой стабильностью при изменении напряжения питания.
Рис. 7.Усилитель сигнала фотодиода
Цепочка резисторов R3R4R5R7 вместе с резистором R6 обеспечивает компенсацию напряжения смещения нуля всего усилителя. Резисторы R8 и R9, входящие в цепь ООС, задают коэффициент усиления усилителя; он равен 100, но при желании заменой номинала резистора R9 может быть изменен.
Настройку необходимо начать с подбора резистора R1, чтобы потенциал истока транзистора Т2 был примерно нулевым относительно общей точки.
Усилитель сигнала терморезистора. В схемах автоматического измерения температуры, где в качестве датчика служит терморезистор RT, можно использовать устройство, схема которого приведена на рис. 8.
Рис. 8. Усилитель сигнала терморезистора
Выходное напряжение здесь будет определяться выражением:
Uвых=Ku*Uмоста
где Кu — коэффициент усиления, определенный выражением
При определении величины напряжения + U необходимо исходить из следующих соображений:
величина +U должна быть такой, чтобы рассеиваемая резистором R4 мощность была ниже предельно допустимого значения, оговоренного в ТУ на данный тип терморезистора;
величина +U должна быть такой, чтобы напряжения на резисторах R2 и R4 не превышали максимально допустимого напряжения для микросхемы.
Настройка устройства сводится к установлению резистором R1 нулевого выходного напряжения усилителя при минимальной измеряемой температуре. Чувствительность составляет примерно 100 мВ/°С.
Генератор синусоидальных колебаний (рис. 9).
Рис. 9. Генератор синусоидальных колебании
Генератор вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот от десятков Гц до 100 кГц при коэффициенте нелинейных искажений, не превышающем 5%.
Частота генерации определяется выражением:
где R2 = R6 = R; R4 = R2 С1 = C4 = С; C2 = 2C.
Ниже приведены номиналы элементов R и С, обеспечивающие частоту генерации в диапазоне частот от 780 до 3180 Гц.
Таблица
Генератор прямоугольных импульсов. Принципиальная схема генератора приведена на рис. 10.
Рис. 10. Генератор прямоугольных импульсов
Генерация осуществляется за счет положительной обратной связи через мостовой элемент R1R2R3C1.
Период колебаний генератора определяется по приближенной формуле (без учета влияния входных токов):
Эквивалентное сопротивление нагрузки, образованное параллельно соединенными резисторами Rн и Rэкв.м, должно быть больше максимально допустимого значения сопротивления нагрузки операционного усилителя К140УД1Б (5,1 кОм).
Стабилизатор напряжения. На рис. 11 приведен пример построения стабилизатора напряжения на микросхеме К140УД1Б.
Риc 11. Принципиальная схема стабилизатора напряжения
В качестве регулирующего элемента использован составной транзистор T1, T2. Опорное напряжение формируется с помощью цепочки, состоящей из стабилитрона Д1 и резисторов R6, R7, и подается на инвертирующий вход операционного усилителя. С помощью потенциометра R10 можно регулировать в небольших пределах выходное стабилизированное напряжение от 11 до 14 В. Устройство обеспечивает на нагрузке 40 Ом напряжение пульсаций, не превышающее 5 мВ.
|
