Операционный усилитель

Микросхемы [п]

Операционные усилители [п]

К140УД1 К140УД5 К140УД6 К140УД7 К140УД8 К140УД9 К140УД11 К140УД12 К284УД1 К284УД2 К544УД1 К544УД2 К553УД1 К553УД2

Усилители

Операционные усилители Дифференциальные усилители Усилители низкой частоты Усилители промежуточной частоты Усилители высокой частоты Стабилизаторы напряжения непрерывные

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления и непосредственными связями, применяемый в основном в качестве активного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффициенте усиления операционного усилителя по напряжению передаточная характеристика устройства вместе с цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя.

Помимо выполнения с помощью ОУ традиционных математических операций. таких как суммирование, вычитание, интегрирование и дифференцирование, на ОУ реализуют всевозможные усилители постоянного тока, усилители переменного напряжения и тока, логарифмические усилители, видеоусилители, усилители-ограничители, повторители напряжений (буферные схемы), активные фильтры, модуляторы (амплитудные, частотные, широтно-импульсные) и демодуляторы, аналоговые умножители и делители, функциональные преобразователи, компараторы, генераторы гармонических колебаний, генераторы колебаний прямоугольной и треугольной формы, ждущие мультивибраторы, формирователи напряжений, схемы задержек, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и др. [4, 6, 8].

Операционный усилитель тем точнее будет реализовать заданную для него конкретной схемой включения функцию, чем ближе его параметры будут приближаться к параметрам идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ характеризуется следующими свойствами электрических параметров:

• напряжение смещения 0 В;
• напряжение выхода 0 В при напряженки входа 0 В; температурный дрейф напряжения смещения 0 В/°С; входной ток 0 А; входное сопротивление ∞ Ом;
• синфазное входное напряжение — полный диапазон напряжения питания;
• дифференциальное напряжение на входе — разность напряжений питания;
• коэффициент усиления по напряжению ∞;
• коэффициент ослабления синфазного сигнала ∞, дБ;
• полоса единичного усиления ∞, Гц;
• полоса пропускания по полной мощности ∞, Гц;
• скорость нарастания выходного напряжения ∞, В/с;
• время нарастания выходного напряжения 0 с;
• выходной ток определяется возможностями источников питания;
• выходное сопротивление 0 Ом;
• потребляемый ток 0 А.

Рис. 3-1. Структурная схема (а) и условное обозначение (б) операционного усилителя.

Реально идеальных ОУ не существует; например, создать усилитель с бесконечной полосой пропускания даже при конечном коэффициенте усиления невозможно.

Весьма распространены так называемые ОУ общего назначения, обладающие с точки зрения погрешностей вносимых ОУ при реализации различных функций свойствами, близкими к идеальным.

Интегральные ОУ почти всегда конструируются по структурной схеме рис. 3-1 с небольшими отклонениями, например может быть три каскада усиления напряжения, может не быть схемы защиты выхода от коротких замыканий.

Рис. 3-2. Амплитудная (а), частотная и фазовая (б) характеристики операционного усилителя.

Как правило, ОУ имеют два входа и один выход (рис. 3-1,б). Входные выводы усилителя обозначены знаками плюс и минус. Знак плюс означает, что выходное напряжение совпадает по фазе с напряжением, поданным на данный вход, этот вход называют неинвертирующим. Знак минус говорит о том. что выходное напряжение ОУ противоположно по знаку напряжению, поданному на этот вход. Выходное напряжение положительной и отрицательной полярности обеспечивается при питании ОУ от разнополярных источников питания U_ип и минус U_ин. Для получения симметричного относительно нулевого уровня выходного напряжения питание необходимо осуществлять от равных по величине разнополярных источников питания.

На рис. 3-2, а приведена амплитудная характеристика ОУ. Поскольку реальный ОУ обладает конечным коэффициентом усиления, график зависимости выходного напряжения от входного не представляет собой вертикальную прямую линию, а имеет наклон, определяемый коэффициентом усиления ОУ.

Амплитудная характеристика не проходит через начало координат, а сдвинута на напряжение, равное входному напряжению смещения U_см. Напряжение смещения — значение постоянного напряжения на входе ОУ, при котором выходное напряжение равно нулю. Это напряжение вызывает во входной цепи ОУ ток смещения или просто входной ток — ток, втекающий (или вытекающий) в любой из входных выводов при выходном напряжении, равном нулю, обычно выражается как среднее значение двух входных токов:

Разность входных токов:

При напряжении на выходе, приближающемся к уровням источников питания, выходные каскады усилителя входят в насыщение. При достижении полного насыщения выходное напряжение ограничивается на уровне U⁺_вых, U^-_вых, который определяется главным образом напряжениями положительного и отрицательного источников питания и схемотехническим решением выходного каскада ОУ.

Коэффициент усиления ОУ является функцией частоты и с увеличением частоты падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из частотных и фазовых характеристик отдельных каскадов, работающих при различных токах и нагрузках. Каждый каскад усилителя имеет собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC-цепочки. Поэтому суммарная частотная характеристика ОУ в общем виде аппроксимируется диаграммой Боде (рис. 3-2, б). Количество изломов частотной и фазовой характеристик f₁, f₂, f₃ определяется количеством каскадов ОУ. Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис. 3-2, б. Если учесть, что на выходе ОУ имеется запланированный сдвиг фазы 180°, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фаз в усилителе, замкнутом отрицательной обратной связью (ООС), достигает 360°. Если на этой частоте произведение коэффициента усиления разомкнутого усилителя на ослабление элементов ООС равно или превышает единицу, то это вызывает самовозбуждение схемы. Усилитель, обладающий частотной характеристикой, изображенной на рис. 3-2, б, будет возбуждаться.

Устранение возбуждения ОУ достигается коррекцией частотной характеристики. Для этого вводят отрицательные обратные связи, которые снижают коэффициент усиления ОУ на высоких частотах и приближают частотную характеристику ОУ к звену первого порядка, т. е. получают спад частотной характеристики 6 дБ/октаву (20 дБ/декаду) через точку единичного усиления, а фазовый сдвиг на частоте единичного усиления не должен превышать 180° для неинвертирующего входа ОУ (360° для инвертирующего входа ОУ). Частота единичного усиления — частота, на которой усиление ОУ с разомкнутой обратной связью равно 0 дБ. Различают также полосу пропускания на полной мощности — это максимальная частота, при которой на выходе можно получить сигнал с пиковой амплитудой ${U^{+}}_{{\text{вых}}}={U^{-}}_{{\text{вых}}}\!$.

Динамические свойства ОУ характеризуют также скорость нарастания выходного напряжения $V_{{U_{{\text{вых}}}}}\!$ время нарастания $t_{{\text{нар}}}\!$ и время установления $t_{{\text{уст}}}\!$.

Скорость нарастания — отношение размаха выходного напряжения, измеряемого от 10 до 90% переднего или заднего фронта, к времени, необходимому для того, чтобы выходное напряжение пересекло эти уровни; измеряется при воздействии на вход большого сигнала (когда выходное напряжение достигает уровней ${U^{+}}_{{\text{вых}}}\!$, ${U^{-}}_{{\text{вых}}}\!$). Время нарастания—время, измеряемое по изменению переднего фронта сигнала на выходе от 10 до 90% при подаче на вход импульса напряжения с малой амплитудой.

Время установления — время, в течение которого выходное напряжение изменяется с первого достижения уровня 10% до последнего достижения уровня 90% установившегося значения. Этот параметр характеризует в основном устойчивость ОУ.

Различают два вида входных сопротивлений ОУ: входное сопротивление сигналу, подаваемому между входами, так называемое дифференциальное входное сопротивление $R_{{\text{вх}}}\!$, и входное сопротивление синфазному сигналу $R_{{\text{вх.сф}}}\!$.

Входное сопротивление $R_{{\text{вх}}}\!$ — отношение небольшого изменения дифференциального входного напряжения к результирующему изменению тока при сохранении линейности выходного напряжения

Входное сопротивление для синфазного сигнала обычно намного больше $R_{{\text{вх}}}\!$ и равно отношению изменения синфазного напряжения к результирующему изменению входного тока. Этот параметр в паспортах на ОУ обычно не указывается.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений ${\text{К}}_{{\text{ос.сф}}}\!$ определяется как отношение коэффициента усиления напряжения ОУ к коэффициенту усиления синфазных входных напряжений

Изменение питающих напряжений не должно разбалансировать ОУ. Параметр «коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения ${\text{К}}_{{\text{вл.и.п}}}\!$» характеризует степень разбалансировки усилителя при перекосе питающих напряжений на 1 В и определяется как отношение приращения напряжения смещения к вызвавшему его приращению напряжений источников питания

Выходной ток ОУ $I_{{\text{вых}}}\!$ или ток нагрузки $I_{{\text{н}}}\!$ — максимально возможный ток на выходе, измеряемый обычно при максимальном выходном напряжении.

При нулевом напряжении на выходе, когда ток в нагрузку не ответвляется, измеряется ток, потребляемый ОУ, $I_{{\text{пот}}}\!$.

Ток, потребляемый от положительного источника питания $I_{{\text{пот1}}}\!$, обычно равен току, потребляемому от отрицательного источника питания, $I_{{\text{пот2}}}\!$:

$I_{{\text{пот}}}=I_{{\text{пот 2}}}=I_{{\text{пот 3}}}\!$

Все параметры ОУ в большей или меньшей степени изменяют свои значения при изменении температуры окружающей среды. Обычно их значения задают для нормальной (+25 °С) температуры и для крайних значений температурного диапазона. На такие же параметры, как напряжение смещения, входной ток, разность входных токов, задается среднетемпературный дрейф, определяемый как отношение изменения параметра от температуры к интервалу температуры, вызвавшей это изменение, мкВ/°С, например:

Рис. 3-3. Типовое включение источников питания ОУ.

Все электрические параметры ОУ измеряются при питании ОУ от двух разнополярных напряжений, равных по абсолютной величине. Однако ОУ может работать от несимметричных источников питания вплоть до одного источника питания, при этом питающее напряженке должно быть равно сумме двух питающих напряжений типового включения (рис. 3-3)

На вход ОУ необходимо подавать постоянное напряжение смещения, равное или отличающееся от него на значение, не превышающее предельно допустимого синфазного входного напряжения. Выходное напряжение будет изменяться уже не относительно нулевого уровня, а относительно потенциала .

При этом ток в нагрузке будет пропорционален $U_{{\text{и.п.}}}\!$ Сопротивление нагрузки должно быть таким, чтобы в самых неблагоприятных режимах работы ОУ его выходной ток не превышал предельно допустимого значения для типового включения источников питания.

В связи с тем, что в справочнике не приводятся погрешности, вносимые ОУ при реализации ими тех или иных функций, в заключение необходимо предостеречь читателей, не имеющих опыта работы с ОУ, чтобы они не стремились выбирать ОУ с параметрами, близкими к параметрам идеального ОУ, так как для подавляющего большинства практически решаемых задач погрешности, вносимые даже ОУ К140УД1, вполне приемлемы.

Примечания