Энциклопедия радиолюбителя

Шаг 19 Радиоэлектронные конструкции на операционных усилителях

Общая характеристика ОУ

Операционный усилитель (ОУ) считается наиболее универсальной аналоговой интегральной микросхемой, которую можно использовать в самых разнообразных радиоэлектронных конструкциях, усилителях радиочастоты и звуковой частоты, различных генераторах и т. д. Операционный усилитель характеризуется такими основными параметрами: напряжением питания, потребляемой мощностью, чувствительностью, коэффициентом усиления, полосой пропускания и выходной мощностью.

Многоцелевой операционный усилитель обычно состоит из входного дифференциального каскада, усилителя напряжения, схемы сдвига постоянного уровня и усилителя мощности. Входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя и имеет два входа: вход 1 — называемый инвертирующим (на схемах обозначается «0», ранее «—») и вход 2 — неинвертирующим (на схемах особого обозначения не имеет, ранее обозначался «+»). При одновременной подаче одинаковых сигналов на входы ОУ, выходной сигнал практически отсутствует. Операционные усилители, как правило, рассчитаны на питание от двухполярного источника питания, что позволяет упростить задачу компенсации смещения нуля на выходе усилителя и предотвратить появление нежелательной постоянной составляющей в нагрузке.

Описание схемы ОУ

Основная схема включения ОУ носит название масштабного усилителя и представлена на рис. 19.1 (цепи питания и коррекции не показаны).

Рис. 19.1. Принципиальная схема масштабного усилителя

Входное сопротивление усилителя равно R1. Коэффициент усиления ОУ регулируется изменением сопротивления резистора R2 или R1.

Для подавления паразитных ВЧ колебаний введена частотно-зависимая отрицательная обратная связь, ее создает конденсатор С1. Действие этой связи начинает проявляться на частотах приблизительно равных 1/2R1·С1 и выше. При расчетах коэффициента усиления ОУ на этих частотах необходимо учитывать емкостное сопротивление конденсатора С1, который шунтирует резистор R2. Действие корректирующих цепей, состоящих из резисторов и конденсаторов, состоит в снижении коэффициента усиления ОУ или уменьшении фазового сдвига в нем. В настоящее время отечественная промышленность выпускает огромное множество самых разнообразных операционных усилителей. Операционные усилители выпускаются в двух вариантах: в цилиндрическом корпусе (например, К140УД1Б) и прямоугольном (например, КР140УД1Б). Ниже приведем конструкции радиоэлектронных устройств на самых распространенных ОУ.

19.1. Двухполярный нерегулируемый источник питания на дискретных элементах

Радиоэлектронные конструкции на ОУ можно питать как от однополярного, так и двухполярного источников питания. Лучшие результаты работы конструкции получаются при их питании от двухполярного источника. Поэтому рассмотрим практическую схему двухполярного источника питания. Источник питания собран на дискретных элементах и состоит из двух однотранзисторных стабилизаторов напряжения, подобных тем, которые были использованы в схеме блока питания, рассмотренной в разделе 9 (рис. 9.2).

Описание схемы

Схема двухполярного источника питания приведена на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Принципиальная схема двухполярного нерегулируемого источника питания на дискретных элементах

Основу схемы составляют три обычных стабилизатора напряжения на одном транзисторе. Особенностью схемы является наличие стабилизатора напряжения на транзисторе VT3. Наличие этого каскада диктуется следующими соображениями. Из схемы видно, что стабилизаторы на транзисторах VT1 и VT2 не имеют защиты от короткого замыкания. В случае же короткого замыкания выхода верхнего по схеме плеча эмиттер VT1 замыкается с эмиттером VT2 и на нижнем плече относительно «общего» провода появляется напряжение минус 24 В. Такая ситуация может привести к выходу из строя питающей аппаратуры. Для предотвращения такой опасности и введен по минусу питания каскад на транзисторе VT3.

Для работы источника необходим силовой трансформатор, дающий на вторичной обмотке напряжение 27…30 В. Для этой цели подойдет унифицированный трансформатор ТП8-18-220-50 с магнитопроводом ШЛ16x25. Детали питающего устройства кроме трансформатора собраны на печатной плате из одностороннего фольгированного текстолита размером 95x35 мм (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Печатная плата (а) и монтаж на ней деталей (б) двухполярного нерегулируемого источника питания на дискретных элементах

Для обеспечения нормального температурного режима работы транзисторов следует для них изготовить теплоотводы из дюралюминия. При исправных деталях и правильной сборки устройство начинает сразу работать. Устройство особой наладки не требует, желательно проконтролировать вольтметром величины выходного напряжения и если оно отличается от требуемого, то надо подобрать стабилитроны VD5, VD7 и резисторы R1 и R2.

19.2. Двухполярный регулируемый блок питания на микросхемах

В лаборатории радиолюбителя желательно иметь двухполярный регулируемый блок питания, что позволяет питать радиоэлектронные устройства с различным напряжением. Схема такого блока питания, собранного на двух микросхемах и одном транзисторе, представлена на рис. 19.4.

Рис. 19.4. Принципиальная схема двухполярного регулируемого блока питания на микросхемах

Блок содержит небольшое число деталей и позволяет регулировать выходное напряжение в пределах ±5…15 В при выходном токе до 1 мА. С выходной обмотки силового трансформатора Т1 снимается напряжение 13…15 В и поступает на выпрямитель с удвоением напряжения, диоды VD1 и VD2. Для сглаживания пульсаций напряжения выпрямителя используются конденсаторы С1…С4. Двухполярный стабилизатор напряжения собран на основе однополярной микросхемы DA1, у которой напряжение стабилизации составляет 5 В. Регулировка выходного напряжения блока питания осуществляется переменным резистором R2.

Детали

Детали в блоке в основном промышленного изготовления за исключением печатной платы. Трансформатор любой, главное, чтобы его первичная обмотка была рассчитана на 220 В, а вторичная давала напряжение 13…15 В. Диоды VD1 и VD2 любые другие выпрямительные нежели на схеме со значением среднего прямого тока от 3 А при напряжении не менее 25 В. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,25, а переменный — СП4-1 или аналогичный. Конденсаторы С1 типа К50-35, С2 — К50-16, С5 — К50-6, С3 и С4 — танталовые емкостью не менее 1 мкФ. При использовании оксидных конденсаторов — их емкость должна быть более 25 мкФ. Транзистор VT1 серии КТ818 с любой буквой или любой другой с допустимым током коллектора не менее 3 А. Указанный на схеме операционный усилитель можно заменить на К(Р)140УД6А (или Б) или К153УД6.

Вместо микросхемы, указанной на схеме, можно использовать К142ЕН5А или К(Р)142ЕН5В. Детали блока питания кроме трансформатора монтируют на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 50x65 мм (рис. 19.5). Транзистор VT1 и микросхему DA1 следует через слюдяные прокладки закрепить на теплоотводах. Блок, собранный из исправных деталей, в наладке не нуждается и готов к работе.

Используя данное схемное решение блока питания, можно изготовить блок и на большее напряжение, до 25 В, для этого нужно только подобрать соответствующий транзистор VT1, микросхему DA1 и значения сопротивлений резисторов R1…R3.