ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде операционного усилителя, имеет в своем составе (см. Рис.1): дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК).

Рис. 1. Структурная схема операционного усилителя

Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.

Промежуточные каскады позволяют: получить большое усиление напряжения сигнала, изменить на 180° или сохранить нулевым фазовый сдвиг усиливаемого сигнала.

В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады. Оконечный каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление.

Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют эмиттерный повторитель.

Обозначение ОУ на принципиальных схемах. Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод.

Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на Рис. 2 (1 - инвертирующий вход, 2 - неинвертирующий вход, 3 - выход, 4 и 5 -выводы для подключения источника питания)

Рис. 2. Обозначения операционных усилителей

(1 - инвертирующий вход, 2 - неинвертирующий вход, 3 - выход, 4 и 5 -выводы для подключения источника питания).

Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FС), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (_I_) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

Подключение ОУ к источнику питания. В общем случае для работы операционного усилителя требуется двухполярный (расщепленный) источник питания; типичные значения напряжений источника составляют ±6 В; ±12 В; ±15 В (иногда ±18 В). Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке представлена на Рис. 3.

Рис. 3. Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке

В ряде случаев для питания ОУ используется несимметричное питание, например +12 и -6 В, или даже однополярное питание, например, +30 В и земля.

Так как в представленной схеме земля не подключена к ОУ, токи возвращаются от ОУ к источнику питания через внешние (навесные) элементы схемы (в нашем случае это сопротивление нагрузки R_н).

Входное и выходное напряжения. Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах Е_д = U_вх(+)-U_вх(-), где U_вх(+) и U_вх(-) - напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:

U_{вых =} Е_д * К (1)

где К - коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что Е_д > 0 (напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (-)), тогда выходное напряжение положительно (Рис.1.4,а).

Рис. 1.4. Полярность выходного напряжения ОУ в зависимости от дифференциального сигнала: а) - при положительном дифференциальном напряжении; б) - при отрицательном дифференциальном напряжении.

Если Е_д < 0 (напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (-)), выходное напряжение отрицательно, Рис.4,б. Общая зависимость U_вых = F(Е_д) представлена на Рис. 5. Выходное напряжение линейно зависит от Е_д лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от -Е_дmax до +Е_дmax)и не может превышать величины напряжения источника питания.

Два правила, справедливые для идеального ОУ. Определим значения -Е_дmax и + Е_дmax В соответствии с (1) имеем

(2)

Величина К чрезвычайно велика; она может достигать 200000 единиц и более. Приняв К=200000, для ОУ, запитанного от источника ±12 В, на основании (2) получим:

Здесь допущено, что +U_нас = +Е_д и -U_нас = -Е_д. Напряжение 60 мкВ очень мало. В типичном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевых наводок и напряжения от токов утечки могут превышать 1 мВ (1000 мкВ). В силу этого можно принять +Е_дmax « 0. Это позволяет сформулировать два важных правила.

Рис. 5. Выходная характеристика ОУ

Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение -U_нас < U_вых < +U_нас), разность напряжений между его входами равна нулю, т.е. U_вх(+)=U_вх(-). Чтобы ОУ работал в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что операционный усилитель, охваченный ООС, сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами. ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.

Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.

Идеальный и реальный ОУ. Для идеального ОУ справедливо:

- Коэффициент усиления дифференциального сигнала К бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.

- Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) К_синф равен нулю.

- Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.

- Отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения.

- Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

- Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует. Параметры реального ОУ несколько хуже. Однако в большинстве случаев для анализа схем на операционных усилителях можно использовать оба правила, справедливые для идеального ОУ. Этот подход и будет использоваться в дальнейшем. Знание реальных значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретной схеме.

Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относятся: напряжение сдвига (напряжение сдвига нуля); токи смещения (входные токи); ток сдвига (разность входных токов); входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы токов смещения и тока сдвига; напряжение шумов, приведенное ко входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение сдвига.

Напряжение сдвига U_cдв - это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя.

Токи смещения I_см - обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, I_см - это токи, потребляемые входами ОУ.

Ток сдвига I_cдв - это разность токов, потребляемых входами ОУ.

Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Максимальное входное напряжение U_{вх mах} — наибольшее входное напряжение операционного усилителя, при котором выходное напряжение соответствует заданному.

Минимальное входное напряжение U_{вх min} — наименьшее входное напряжение операционного усилителя, при котором выходное напряжение соответствует заданному.

Чувствительность S — наименьшее входное напряжение, при котором, электрические параметры операционного усилителя соответствуют заданным.

Диапазон входных напряжений ∆ U_вх — интервал напряжений от минимального входного напряжения до максимального.

Входное напряжение покоя U_{0 вх} — напряжение на входе операционного усилителя при отсутствии входного сигнала.

Выходное напряжение покоя U_{0 вых} — напряжение на выходе операционного усилителя при отсутствии входного сигнала.

Входное напряжение ограничения U_огр.вх — наименьшее входное напряжение операционного усилителя, при котором наступает ограничение выходного напряжения.

Входное напряжение U_вх — напряжение на входе операционного усилителя в заданном режиме.

Напряжение смещения U_см — напряжение постоянного тока на входе операционного усилителя, при котором выходное напряжение равно нулю.

Синфазные входные напряжения U_сф.вх — напряжения между каждым из входов операционного усилителя и общим выводом, амплитуды и фазы которых совпадают.

Максимальные синфазные входные напряжениям U_{сф.вх.mах} — синфазные входные напряжения, при которых параметры операционного усилителя изменяются на заданное значение.

Максимальное выходное напряжение U_вых.max — наибольшее выходное напряжение, при котором изменения параметров операционного усилителя соответствуют заданным.

Минимальное выходное напряжение U_вых.min — наименьшее выходное напряжение, при котором изменения параметров операционного усилителя соответствуют заданным.

Выходное напряжение баланса U_вых.бл — напряжение постоянного тока на каждом выходе операционного усилителя относительно общего вывода при напряжении между выводами, равным нулю.

Приведенное ко входу напряжение шумов U_ш.вх — отношение напряжения собственных шумов на выходе операционного усилителя при закороченном входе к коэффициенту усиления напряжения.

Входной ток I_вх — ток, протекающий во входной цепи операционного усилителя в заданном режиме.

Разность входных токов ∆I_вх — разность токов, протекающих через входы операционного усилителя в заданном режиме.

Выходной ток I_вых — ток, протекающий в цепи нагрузки операционного усилителя в заданном режиме.

Максимальный выходной ток I_{вых mах} — наибольший выходной ток, при котором обеспечиваются заданные параметры операционного усилителя.

Минимальный выходной ток I_{вых min} — наименьший выходной ток, при котором обеспечиваются заданные параметры операционного усилителя.

Ток потребления I_пот — ток, потребляемый интегральной микросхемой от источников питания в заданном режиме.

Ток холостого хода I_х.х — ток, потребляемый интегральной микросхемой при отключенной нагрузке.

Потребляемая мощность Р_пот — мощность, потребляемая интегральной микросхемой, работающей в заданном режиме, от источников питаниэ.

Максимальная потребляемая мощность Р_{пот mах} — потребляемая мощность операционного усилителя в предельном режиме потребления.

Выходная мощность Р_вых — мощность сигнала, выделяемая на нагрузке операционного усилителя в заданном режиме.

Рассеиваемая мощность P_рас — мощность, рассеиваемая интегральной микросхемой, работающей в заданном режиме.

Нижняя граничная частоту полосы пропускания f_н — наименьшая частота, на которой коэффициент усиления операционного усилителя уменьшается на 3 дБ относительно заданной.

Верхняя граничная частота полосы пропускания f_в — наибольшая частота, на - которой коэффициент усиления операционного усилителя уменьшается на 3 дБ относительно заданной частоты.

Полоса пропускания ∆f — диапазон частот между верхней и нижней граничными частотами полосы пропускания.

Коэффициент усиления напряжения К_уU — отношение выходного напряжения операционного усилителя к входному.

Коэффициент усиления тока К_уI — отношение выходного тока операционного усилителя к входному.

Коэффициент усиления мощности К_уP — отношение выходной мощности операционного усилителя к входной.

Коэффициент нелинейности амплитудной характеристики К_нл.АХ — наибольшее отклонение крутизны амплитудной характеристики операционного усилителя относительно крутизны амплитудной характеристики, изменяющейся по линейному закону.

Коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) К_П — отношение полосы частот операционного усилителя на уровне 0,01 или 0,001 к полосе пропускания на уровне 0,7.

Коэффициент неравномерности амплитудно-частотной характеристики К_нр.АЧХ — отношение максимального выходного напряжения операционного усилителя к минимальному в заданном диапазоне частот полосы пропускания, выраженное в децибелах.

Относительный диапазон автоматической регулировки усиления по напряжению ∆U_{АРУ.отн} — отношение наибольшего коэффициента усиления напряжения к наименьшему при изменении входного напряжения в заданных пределах.

Относительный диапазон автоматической регулировки усиления по току ∆I_АРУотн — отношение наибольшего коэффициента усиления тока к наименьшему при изменении вводного напряжения операционного усилителя в заданных пределах.

Относительной диапазон автоматической регулировки усиления по мощности ∆U_АРУотн — отношение наибольшего коэффициента усиления мощности к наименьшему при изменении входного напряжения операционного усилителя в заданных пределах.

Коэффициент гармоник К_Г — отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех, кроме первой, гармоник сигнала операционного усилителя к среднеквадратичному напряжению первой гармоники.

Входное сопротивление R_вх — отношение приращения входного напряжения операционного усилителя к приращению активной составляющей входного тока при заданной частоте сигнала.

Выходное сопротивление R_вых — отношение приращения выходного напряжения операционного усилителя к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или синусоидального тока при заданной частоте сигнала.

Входная емкость С_вх — отношение емкостной реактивной составляющей входного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на синусоидальное входное напряжение операционного усилителя при заданной частоте сигнала.

Выходная емкость С_вых — отношение емкостной реактивной составляющей выходного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на вызванное им выходное напряжение при заданной частоте сигнала.

Литература

1. В.Д. Разевиг. Система проектирования OrCAd 9.2. - М.: Издательство СОЛОН, 2001. -519с.

2. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. - В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. (УДК 621.3; Э45).3.

3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов /Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 768с.: ил. (О-60 УДК 621.396.6)

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов. радио. 1980. - 424с.