Операционный усилитель

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик в .74657О (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено24Я4,78 (2l ) 2609224/18-24 (53)M. Кл.

9 06 G 7/12 с присоединением заявки №

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет по делам изобретений н открытий

Онублнковано07Я7.80. Бюллетень №25

Дата опубликования опнсання 08Я7.80 (53) УДК, 681. .335(088.8) Н. Н. Прокопенко, В. М, Редько, В, И, Марчук и А, И.. Рогач (72) Авторы изобретения

Шахтинский технологический институт (7I) Заявитель (54) ОПЕРАЦИОНН6!Й УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может найти применение в аналоговых вычислительных машинах, Известны схемы многокаскадных операционных усилителей, в которых для о6еспечения устойчивости вводят последовательные корректирующие цели.

Один из известных усилителей содержит усилительный каскад с цепью обрач

10 ной связи и входной цепью„которая выполнена из последовательнб включенных элемента с частотно зависящим коэффициентом передачи, ключа и масштабного резистора, причем между шиной нулевого потенциала и входом первого ключа, включена дополнительно последователт ная цепочка из второго ключа и масштабного резистора 1

Другой известный усилитель содержит дополнительно развязывающий трансформатор и полевой транзистор для исключения взаимного влияния корректируюаих пропорциональной, интегрируюшей н днфференцируюшей цепей. Причем в уснли.тете операции интегрирования и пропорционального преобразования осуществляются находящимися в обратной связи цепочками, а дифференцирование осущесз вляется включением в прямую цепь операционного усилителя развязывающего трансформатора и полевого транзистора 2 .

Недостатками указанных операционных усилителей является сложность осушествления коррекции и невысокое быстродействие.

Наиболее близким по принципу действия на большом сигнале является операционный усилитель, который содержит дифференциальный каскад с нелинейной зависимостью выходного напряжения от входного, выходной усилитель, корректирующий конденсатор,. связанный со входом выходного усилителя и первым выводом корректйруюшего резистора, причем второй вывод корректйрующего ре— )

4 2ХР С ние дифференциального каскада 1 мало.

Дифференциальный каскад 1 представляет собой нелинейное звено с характе15 ристикой 0@„,„= (0в„),имеющей ограничение. Напряжение ограничения 0 обычно невелико(0т=50-60 мВ). Угол наклона крйвой Ц@,„=f(Ueq) определяется коэффициентом усиления каскада 1 для малого

20 сигнала. Нелинейность входного каскада— основная причина невысокого быстродействия, Если усытитель работает в пределах линейного участка характеристики

Цвы„= (О х),то его логарифмическая амцлитудно-частотйая характеристика соответствует кривой3(фиг.2). При этом быстродействие усилителя максимально, поскольку частота среза его амплитудночастотной характеристики имеет наибольшее значение 1, (площадь усиления о

Ц= Ко9„=4 р максимальная)„ В этом режиме напряжение на выходе выпрямителя 6 отсутствует, ток через светодиод 8 оптрона S мал, а сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 во много раз с превышает сопротивление корректирующего резистора 4. Следовательно, на малосиг4О нальную амплитудно-частотную характеристику усилителя элементы 5 и 6 не оказывают влияния. При малых приращениях

0gy, усилитель работает обычным . образом.

Если входное напряжение. превышает напряжение ограничения дифференциального каскада 1 От, то его усилительные свойства описывают с помощью коэффициента гармонической .линеаризации

3 74657 зистора соединен с общей шиной,источ HHK& питания 3

Недостаток этого усилителя состоит в том, что он имеет невысокое быстродействие на большом сигнале. Послед5 нее обусловлено ограничением входного напряжения. дифференциального каскада.

Белью изобретения является повыш ние быстродействия операционного усилителя. 1О

Поставленная цель достигается тем, что операционный усилитель дополнитель но содержит корректирующий оптрон типа

"светодиод-фоторезистор" и выпрямитель f . входы которого соединены с входами дифференциального усилительного каскада, а выход подключен к светодиоду корректируюIIIего оптрона, фоторезистор которого вклю чен между входом выходного усилителя ивыходом дифференциального усилительного каскада, который соединен с другим выводом корректирующего резистора.

На фиг. 1 приведена схема операционного усилителя; на фиг. 2 — его логарифмические амплйтудно-частотные характеристики.

Операционный усилитель (фиг. 1) содержит дифференциальный усилительный . каскад 1, выходной усилитель 2, корректирующий конденсатор 3, связанный со входом усилителя 2 и первым выводом корректирующего резистора 4, корректирующий оптрон 5 и выпрямитель 6, Второй вывод резистора 4 подключен к выходу дифференциального каскада 1. Па» раллельно резистору 4 включен приемник света 7 корректирующего оптрона 5. Источник света - светодиод оптрона 5 присоединен к выходу выпрямителя 6 входного сигнала, Входы выпрямителя 6 соединены со входами дифференциального каскада 1.

Амплитудно-частотная характеристика нескорректированного усилителя приведена под номером 1 (фиг. 2). Кривая ц соответствует малоснгнальной амплитудночастотной характеристике скорректированног.о усилителя, Кривые Й1 и Я показь вают деформашпо линеаризованной амплитудно-частотной характеристики усилителя 5О при различных амплитудах входного сигнала.

Многокаскадный усилитель" при отсутствии элементов частотной коррекции име ет амплитудно-частотную характеристику показанную под номером 1. Для обеспечения устойчивости усилителя вводят корректирующие цепн-конденсатор 3 и резисО ф тор 4. При этом малосигнальная амплитудно-частотная характеристика смещается влево, а верхняя граничная частота усилителя для малого сигнала т принимают значение

При выводе формулы(1) принято, что входное сопротивление выходного усилителя 2 велико, а выходное сопротивле(2) ор(а/u )-I (a/u,, где А — амплитуда входного напряжения Цв

Коэффициент q. (А/От } для рассматриваемой нелинейности уменьшается с увеличением Овх причем график этой функпии яЛ*/u )-.1(пе„) еппроиоимиропеи гипербо-. й.

7465 (3) 0 4 2

СР СР СР

Таким образом, для большого сигнала дифференциальный каскад 1 заменяют линеаризованным дифференциальным каскадом коэффициент передачи которого q, (A /(. ) обратно пропорционально зависит от амплитуды входного напряжения А.

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика усилителя с увеличением сигнала смешается вниз. Причем при логарифмическом масштабе по оси К тО смешение пропорционально амплитуде входного напряжения (фиг. 2).

Из графиков видно, что с увеличением сигнала, уменьшается частота среза 1сР амплитудно-частотной характеристики уси- 1S лителя и площадь его усиления.

Это отрицательно сказывается на основ- 20 ных параметрах переходного процесса, которые тем лучше, чем выше частота среза.

В усилителе улучшение динамических параметров достигастся за счет перемещения вправо опустившейся под действием сигнала логарифмической амплитуднс частотной характеристики линеаризованного усилителя. Например, если кривую Щ или

6 переместить до совпадения с малосигнальной частотной характеристикой ) т то площадь усиления и 4 р усилителя на большом сигнале не уменьшатся и имеют такие значения, как и при малых приращениях входного напряжения, Сле- 35 довательно, максимальная скорость нарастания выходного сигнала чсилителя со смещенной логарифмической амплитудночастотной характеристикой не хуже, чем для кривой ц .

Ю

Таким образом, степень смещения логарифмической амплитудно-частотной характеристики вправо разная при разных амплитудах 0 > „. Чем выше 0 < > тем больше изменяется постоянная времени . усилителя.

В предлагаемом усилителе постоянная времени изменяется за счет изменения прямо пропорционально модулю 0вх проводимости фоторезистора 7 оптрона 5.Вы- 5 прямитель 6 преобразует модуль входного напряжения в ток светодиода 8 оптрона 5. Сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 обратно пропорционально току све, тодиода 8, и следовател ьно, обратно пропорционал ьно ампл итуде входного сигнала. Тахим образом, постоянная времени усилителя

I уменьшается с увеличением Оа „. При этом

70 6 указанная характеристика усилителя смешаегся вправо на столько же октав по оси частот, на сколько октав произошло смещение этой характеристики вниз по осй К для заданного уровня сигнала.

Так как сопротивление фоторезистора 7 оптрона 5 изменяется на несколько порядков, постоянная времени усилителя также изменяется на несколько порядков.

Поэтому усилитель имеет высокое быстродействие в широком диапазоне изменения входного напряжения.

Как известно любой диодный выпрямитель имеет зону нечувствительности в области начала координат на характеристике )„=< (ex). Наличие порогового напряжения U выпрямителя 6 позволяет включать цепь нелинейной коррекции логарифмической амплитудн частотной характеристики только на большом сигнале

lU xl>Оq., В идеальном случае необходимо, чтобы Un = 02 т.е. чтобы смешение характеристики вправо происходило только при насыщении дифференциального каскада 1.

При отсутствии тока через светодиод

8 оптрона 5 сопротивление фоторезисто ра 7 достигает нескольких мОм. Поэтому на малом сигнале, когда выпрямитель 6 работает в пределах зоны нечувствител ности, постоянная времени операционного усилителя определяется по формуле (1)

На большом сигнале сопротивление фоторезистора 7 изменяется по закону

С„ (4)

«Р \ н

После нескольких преобразований получают 4 Ьхм сР СР U (5) ! где - частота среза амплитудноср частотной характеристики усилителя при некотором произвольном входном напряжении Овх, 1 — частота среза при напряжении Uzx =uz„„

Рассмотренный принцип повышения

/ быстродействия усилителя функционирует и при других случаях включения корректирующего конденсатора 3, например параллельно входному усилителю 2 (фиг. 1 пунктир).

Формула изобретения

Операционный усилитель, содержащий дифференциальный усилительный каскад, входы которого являются входами усили теля,выходной усилитель, который входом непосредственно связан с одним выводом корректирующего резистора и через корректирующий конденсатор - с шиной нулевого потенциала, о т л и ч а ю щ и йс" я тем, что, с целью повышения быстродействия усилителя, он дополнительно содержит корректирующий оптрон типа .

"светодиод-фоторезистор и выпрямитель 10

) входы которого соединены .с входами дифференциального усилительного каскада, а выход подключен к светоййоду корректирующего оптрона, фоторезистор которого Ыкжочен между входом выходного усилителя и выходом дифференциаль

3. Липман А. А. и др. Динамика интегральных, операционных усилителей с простой частотной коррекцией в режиме большого сигнала. Сб, "Электронная тех-

И ника в автоматике", 1977, № 9 с. 310-314, рис, la.

746570 8 ного усилительного каскада, который сое.. динен с другим выводом корректирующего резистора.

Источники информации „ принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

;№ 607231, кл. 9 06 Gj 7/12, 1975, 2, Патент Японии Х 26003, кл. 54 (7) С121 опублик. 1971.