Операционные усилители. Операционным усилителем называют усилитель напряжения

Операционным усилителем называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и так далее. Все эти операции операционный усилитель выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи операционного усилителя, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы операционный усилитель как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что:

входное сопротивление операционного усилителя должно быть равно бесконечности, а следовательно, входной ток должен быть равен нулю;

выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение;

частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близко к нулю.

8 Входная цепь операционного усилителя обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется – прямым или неинвертирующим. Условное графическое обозначение операционного усилителя приведено на рис. 4.41.

Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак «минус» (–). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак «плюс» (+). Два вывода используются для подачи на него напряжения питания +U и –U. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод (^) одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (как правило, на схемах общий вывод и выводы питания не изображаются). В зависимости от структуры операционного усилителя дополнительно он может иметь выводы для подключения цепей частотной коррекции (FC).

Если один из входов операционного усилителя соединить с общим выводом, то можно получить два операционных усилителя с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис. 4.42, а), а другой – неинвертирующим (рис. 4.42, б). Выходное напряжение для дифференциального операционного усилителя определяется выражением

, (4.42)

где K_u ® ¥ – коэффициент усиления операционного усилителя, , – входные сигналы, действующие на инверсном и прямом входе соответственно.

Для инвертирующего операционного усилителя выходное напряжение равно , а для неинвертирующего . Разностное напряжение называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение, приложенное между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя.

Если оба входа операционного усилителя соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным . Для синфазного сигнала, в соответствии с выражением (4.42), выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит, и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение.

Дифференциальный операционный усилитель можно заменить его схемой замещения. Для идеального операционного усилителя можно воспользоваться схемой замещения, приведенной на рис. 4.43, а. В этой схеме на выходе включен источник напряжения u_вых, управляемый дифференциальным входным напряжением , в соответствии с выражением (4.42). Входные токи в этой схеме отсутствуют, так как входное сопротивление считается равным бесконечности.

Если учесть свойства реального усилителя, то схема замещения дифференциального операционного усилителя, приведенная на рис. 4.43, б, будет содержать источники входных токов i_{вх -} и i_вх+, входное сопротивление r_вх, источник напряжения смещения нулевого уровня е_см и выходное сопротивление r_вых. Использование этой схемы замещения позволяет учесть влияние на выходной сигнал внутренних сопротивлений источников сигнала и сопротивления нагрузки, а также смещение нулевого уровня, обусловленное наличием источников входных токов i_{вх –} и i_вх+ и напряжения е_см.

В интегральных операционных усилителях для обеспечения устойчивости в широкой полосе частот используется частотная коррекция усиления, которая обеспечивает снижение усиления с ростом частоты. Обычно эта частотная коррекция представляет собой интегрирующее звено, у которого коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. Схема замещения операционного усилителя с учетом частотной коррекции приведена на рис. 4.44, а. Она содержит входной дифференциальный каскад с коэффициентом передачи К ₁, который преобразует входной дифференциальный сигнал в выходной ток, поступающий на интегрирующее звено с коэффициентом передачи К ₂. Выходной каскад с коэффициентом передачи К ₃ является усилителем мощности и обычно представляет собой повторитель напряжения. Упрощенная принципиальная схема такого операционного усилителя приведена на рис. 4.44, б.

Дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT 1 …VT 4. Транзисторы VT 1, VT 3 образуют дифференциальный усилитель, а транзисторы VT 2, VT 4 являются его динамической нагрузкой (сопротивление транзисторов изменяется динамически и зависит от протекающего через них тока). Выходным сигналом дифференциального каскада является ток 2 i ₁, который поступает в интегрирующее звено, выполненное на транзисторах VT 5, VT 6 и корректирующей емкости кости С_к. Выходным сигналом интегратора тока является напряжение u ₁, равное напряжению на конденсаторе С_к. Повторитель напряжения выполнен на транзисторах VT 7, VT 8 по схеме с эмиттерной нагрузкой. Анализ упрощенной схемы операционного усилителя, приведенной на рис. 4.44, позволяет выявить взаимосвязь основных динамических характеристик операционного усилителя.

Будем считать, что входной дифференциальный каскад характеризуется крутизной составляющих его транзисторов VT 1 и VT 3, для которых ток коллектора и напряжение на базе связаны выражением

.

В этом случае крутизна дифференциального каскада будет иметь значение

,

где i ₁ – коллекторный ток транзисторов дифференциального каскада, j _Т – тепловой потенциал.

Для определения коэффициента передачи интегратора тока, воспользуемся зависимостью напряжения и тока C_к:

. (4.43)

Для переменного гармонического сигнала с частотой w эта зависимость может быть представлена в виде

2 I ₁ = w C_кU ₁,

откуда находим коэффициент передачи тока интегратора

.

Учитывая, что коэффициент передачи выходного повторителя напряжения К ₃ = 1, найдем полный коэффициент передачи операционного усилителя

. (4.44)

Выражение (4.44) показывает, что с ростом частоты w коэффициент усиления операционного усилителя понижается. Крутизна S ₁ дифференциального каскада и емкость коррекции C_к влияют на скорость снижения коэффициента усиления операционного усилителя. В то же время этой формулой нельзя пользоваться, если частота w ® 0, так как в этом случае К ® ¥. Иначе говоря, эта формула отражает на постоянном токе свойства идеального операционного усилителя. Поэтому в реальном усилителе рост коэффициента усиления будет продолжаться до тех пор, пока он не станет равным значению К (0) на постоянном напряжении. График зависимости коэффициента усиления операционного усилителя от частоты входного сигнала приведен на рис. 4.45. Этот график построен в логарифмическом масштабе по формуле

[дБ].

Пользуясь частотной зависимостью коэффициента усиления (4.44), можно определить предельную частоту операционного усилителя, на которой коэффициент усиления становится равным единице

. (4.45)

Динамические свойства операционного усилителя часто описываются при помощи скорости нарастания выходного напряжения u_uвых. Учитывая, что u_вых = u ₁, из выражения (4.43) найдем скорость нарастания u_вых:

.

Из полученного выражения следует, что для увеличения скорости нарастания следует увеличивать крутизну S ₁ дифференциального каскада и снижать емкость коррекции C_к. Скорость нарастания связана с предельной частотой усиления операционного усилителя. Если в последнее выражение подставить значение емкости из выражения (4.45), то получим

, (4.46)

откуда следует, что чем больше предельная частота (то есть частота единичного усиления), тем выше скорость нарастания выходного напряжения.

Следует отметить, что для определения скорости нарастания на вход операционного усилителя необходимо подавать столь большое входное напряжение, чтобы дифференциальный каскад полностью переключался из одного состояния в другое. В этом случае весь ток 2 i ₁ = i_c проходит в интегратор, и поэтому скорость нарастания, определяемая (4.46), будет максимальной.

В данном рассмотрении принималось, что емкость C_к настолько велика, что усилитель имеет достаточный запас устойчивости по фазе на частоте w _пр (то есть дополнительный набег фазы не превышает 90⁰). Это позволяет использовать операционный усилитель с замкнутой обратной связью без опасности его самовозбуждения. Уменьшение емкости C_к приводит к увеличению усиления и максимальной скорости нарастания, однако это можно сделать только в том случае, если коррекция выполняется с помощью внешних элементов. При внутренней коррекции емкость C_к является элементом интегральной микросхемы и уменьшить ее нельзя.

В справочных данных на операционный усилитель иногда приводится значение максимальной частоты усиления большого сигнала. Смысл этого параметра состоит в том, что он позволяет установить максимальную частоту гармонического сигнала, при которой на выходе операционного усилителя можно получить без значительных искажений выходной сигнал синусоидальной формы с заданной амплитудой U_m. Очевидно, что этот параметр связан с максимальной скоростью нарастания гармонического сигнала на выходе операционного усилителя. Если принять, что u_вых = U_m sinw t, то его скорость изменения будет равна

,

и при cos w t = 1 она будет иметь максимальное значение

.

Отсюда

(4.47)

Выражение (4.47) показывает, что до частоты w _макс на выходе операционного усилителя может получиться неискаженный сигнал с амплитудой U_m. С повышением частоты амплитуда неискаженного сигнала на выходе уменьшается по гиперболическому закону. График такой зависимости приведен на рис. 4.46.

Пример. В качестве примера рассмотрим взаимосвязь основных параметров операционного усилителя типа К140УД7. Исходными данными для анализа этого усилителя являются: ток дифференциального каскада i ₁ = 10 мкА, емкость коррекции С_к = 30 пФ, К (0) = 130 дБ.

Определим крутизну S ₁:

,

где j _Т = 25 мВ при Т = 300 К.

Предельную частоту усиления найдем из выражения (4.45):

Гц.

Максимальную скорость нарастания определим из

В/мкс.

Максимальную частоту усиления при выходном напряжении U_{m вых} = 10 В найдем из выражения (4.47):

кГц.

Основные характеристики операционных усилителей можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу операционного усилителя в установившемся режиме:

коэффициент усиления на постоянном напряжении ;

напряжение смещения нулевого уровня е_см – это напряжение, которое нужно приложить к входу операционного усилителя, чтобы обеспечить U_вых = 0;

выходные токи i_вх+ и i_вх- – это токи, протекающие через входные цепи операционного усилителя;

разность входных токов D i_вх = i_вх+ – i_вх–;

температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня D e_см /D Т;

температурный коэффициент разности входных токов D i_вх /D Т;

коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс – это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала;

максимальный выходной ток.

Динамические характеристики операционного усилителя описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) f_пр = f ₁ и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения. Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется с помощью RC цепей, подключаемых к соответствующим выводам операционного усилителя. Основное назначение коррекции – предотвращать самовозбуждение (возникновение автоколебаний) в операционном усилителе при охвате его цепью отрицательной обратной связи.

Причина возникновения автоколебаний кроется в том, что в самом операционном усилителе и в цепях обратной связи имеются фазовые сдвиги, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в положительную. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления на частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре составляет 360⁰. Иногда используют цепи коррекции, которые уменьшают фазовый сдвиг на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы. Такую коррекцию называют опережающей, так как она обеспечивает опережение по фазе. Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятием-изготовителем и приводятся в справочниках. В то же время имеется большое количество операционных усилителей с внутренней коррекцией. Внутренняя коррекция упрощает использование операционного усилителя, но не позволяет полно реализовать его динамические свойства.

В соответствии с ГОСТ 4.465 – 86 все операционные усилители делятся на следующие группы по совокупности их параметров:

универсальные, или общего применения (К (0) = 10³…10⁵, f_пр = 1,0 … 10 МГц, е_см > 0,5 мВ);

прецизионные, или инструментальные (К (0) > 0,5×10⁶, е_см < 0,5 мВ);

быстродействующие ( В/мкс, f_пр > 15 МГц);

микромощные (I_потр < 1 мА).

В табл. 4.1. приведены сравнительные данные для некоторых типов операционных усилителей из различных групп. Следует отметить, что прецизионные операционные усилители имеют весьма малые значения напряжения смещения нулевого уровня и его температурного коэффициента, кроме того, они отличаются большим значением коэффициента усиления, что приближает их к идеальным операционным усилителям. В свою очередь, быстродействующие усилители отличаются широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Микромощные усилители отличаются высокой экономичностью. Они могут работать при напряжении питания от 1,5 В и потреблять ток 10…1000 мкА.

Таблица 4.1

---

Дата добавления: 2015-10-28