Основные параметры операционных усилителей

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 электронного устройства.

Коэффициент усиления по напряжению К_U0 характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал

К_U0=Δ U_вых/Δ U_вх

Типовое значение коэффициента усиления ОУ составляет до 10⁵…10⁶ или 100…120 дБ.

Входное напряжение смещения – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления. Данный параметр показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить U_вых=0.

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 единицы микроампер – сотни наноампер.

Разность входных токов Δ I_вх (ток сдвига) – возникает вследствие неодинаковости коэффициентов передачи тока h_21Э транзисторов входного каскада ОУ.

Входное сопротивление R_вх. Различают дифференциальное входное сопротивление и 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 объединенными входными выводами и нулевой шиной. Типовое значение входного сопротивления – сотни килоом.

Выходное сопротивление R_вых – сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления – сотни ом.

Коэффициент подавления синфазного сигнала К_{п сф} определяет степень подавления (ослабления) синфазной составляющей входного сигнала. Его типовое значение – 50…70 дБ.

Максимальная скорость изменения выходного напряжения 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/микросекунд.

Частота единичного усиления F_max – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице (0 дБ). Обычно эта частота не превышает нескольких мегагерц.

Время установления выходного напряжения t_уст – это время, за которое практически заканчивается переходный процесс. Оно обычно измеряется при максимальных значениях выходного напряжения и нагрузки и оценивается как промежуток времени Δ t, прошедший с момента первого достижения уровня 0, 1 до момента первого достижения уровня 0, 9 установившегося значения выходного сигнала при подаче на вход импульса напряжения прямоугольной формы.

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 и др. Большинство перечисленных параметров сильно зависят от условий эксплуатации. Эти зависимости обычно задаются графически.

В настоящее время ОУ находят широкое применение при разработке различных аналоговых и импульсных электронных устройств. Объясняется это тем, что, введя в цепи прямой и обратной передачи его сигналов различные линейные и нелинейные цепи, можно направленно синтезировать узлы с требуемым алгоритмом преобразования входного сигнала

4. Цифровой сигнал. Системы счисления. Логические функции и логические элементы. Основные теоремы алгебры логики.

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем это относится как к бытовой технике (аудио-, видеоаппаратура, средства связи), так и к профессиональной технике (измерительная, управляющая аппаратура). Ставшие уже привычными персональные компьютеры также полностью реализованы на основе цифровой технологии.

Интегральная микросхема — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Аналоговый сигнал – это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно меняться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал – это сигнал, который может принимать только два значения. Причем разрешены некоторые отклонения от этих значений. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0, 5 В (уровень нуля) или от 2, 5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных состояний никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать.

Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых обязательно имеет следующие выводы:

- выводы питания: общий (или «земля») и напряжения питания (в большинстве случаев +5 В или +3, 3 В), которые на схемах обычно не показываются;

- выводы для входных сигналов (или «входы»), на которые поступают внешние цифровые сигналы;

- выводы для выходных сигналов (или «выходы»), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы.

Рис. 13. Цифровая микросхема

Цифровые микросхемы или микросборки, их элементы или компоненты обозначаются на принципиальных схемах УГО в соответствии с ГОСТ 2.743-91. УГО микросхемы имеет форму прямоугольника, к которому подводят линии выводов. Оно может содержать три поля: основное и два дополнительных.

Рис. 14. УГО цифровых микросхем

Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы (так называемой таблице истинности) или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов.

Все цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой - уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице – высокий уровень напряжения. В этом случае говорят, что принята «положительная логика». Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице – низкий уровень. В этом случае говорят о «отрицательной логике».

Рис. 15. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ-микросхем

Логическими элементами (ЛЭ) называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Они обычно используются для построения сложных преобразователей цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от предыдущих состояний системы.

Практически все цифровые устройства без памяти (комбинаторные устройства) могут быть построены на основе трех простейших логических элементов. Все более сложные системы реализуются из этих простейших логических элементов как из кубиков. Остановимся на описании простейших логических элементов.

Работа всех цифровых устройств основана на алгебре логики. В ее основе лежат функции логического отрицания, логического сложения (дизъюнкция) и логического умножения (конъюнкция). Аксиомы алгебры логики: