Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) ¾ это высококачественный широкополосный усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход, несимметричный выход и большой коэффициент усиления.

Операционные усилители играют роль многоцелевых элементов и используются в различных усилительных устройствах, при построении схем генераторов синусоидальных напряжений, прямоугольных импульсов, в активных фильтрах и т.д. Условные обозначения ОУ на принципиальных схемах приведены на рис.6.16. и 6.17.

Показанный на рис.6.16. усилитель имеет два входных электрода и один выходной электрод. Входы операционного усилителя в зависимости от фазировки выходного сигнала относительно входного получили название инвертирующего (вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения; этод вход обозначается знаком инверсии О) и неинвертирующего (вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением). На рис.6.17. с обеих сторон основного поля введены дополнительные поля с метками: NC ¾ выводы балансировки (коррекции нуля), FC ¾ выводы частотной коррекции, OV ¾ общий информационный вывод, U ¾ выводы напряжения питания, х ¾ вывод несущей логической информации, ^ ¾ корпус.

Основу ОУ составляет параллельно-балансный дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада ОУ. Для увеличения коэффициента усиления ОУ строится по 2-х каскадной или 3-х каскадной схеме. Выходным каскадом, как правило, является эммиттерный повторитель для уменьшения выходного сопротивления усилителя и для обеспечения согласования с нагрузкой. Между входным и выходным каскадами ставятся промежуточные каскады усиления, предназначенные для сдвига уровня выходного напряжения и для повышения общего коэффициента усиления. Операционные усилители бывают двух- и трехкаскадные. В двухкаскадных ОУ входной каскад выполняется с динамическими нагрузками, а в трехкаскадных ОУ ¾ с активными нагрузками.

Принцип работы трехкаскадного ОУ рассмотрим на примере микросхемы К140УД1 (рис.6.18.).

На транзисторах VТ₁ VТ₂ и резисторах R₁,R₂ собран входной параллельно-балансный каскад. Суммарный ток эмиттеров транзисторов стабилизирует источник тока на транзисторах VТ₃, VТ₄, резисторах R₄, R₅. Источник тока одновременно формирует фиксированный потенциал базы транзистора VТ₉. Резистор R₆ обеспечивает постоянное потенциальное смещение для согласования уровней выходного напряжения входного каскада с уровнями входного напряжения второго дифференциально-усилительного каскада, выполненного на транзисторах VТ₅, VТ₆, и резисторах R₇, R₈. Выходной сигнал со второго каскада используется для управления эмиттерным повторителем на транзисторах VТ₇, VТ₈ для увеличения коэффициента усиления по напряжению. На транзисторах VТ₇ и VТ₈ реализован каскад сдвига уровня напряжения, причем VТ₇ включен по схеме с общим коллектором, а VТ₈ включен по схеме с общей базой и выполняет две функции: на транзисторе VТ₈ реализован генератор тока для транзистора Т₇, и транзистор VТ₈ входит в цепь положительной обратной связи выходного эмиттерного повторителя на транзисторе VТ₉ с целью повышения коэффициента передачи эмиттерного повторителя до значения, большего единицы.

Основными характеристиками и параметрами ОУ являются усилительные, входные, выходные, энергетические, дрейфовые, частотные и скоростные параметры.

Основной характеристикой ОУ является его амплитудная (или передаточная) характеристика (рис.6.19.), которая отражает зависимость выходного напряжения от медленно меняющегося входного сигнала. Наличие двух входов обуславливает наличие двух переходных характеристик: сигнал при этом подается на один из входов при заземленном другом. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого транзистора (транзистор насыщен) или закрытого транзистора. Значения максимальных выходных напряжений U⁺_ВЫХmax и U^–_ВЫХmax близки к напряжению Е_К источников питания. Для восходящих участков наклон определяется коэффициентом усиления операционного усилителя, который зависит от типа усилителя и составляет величину от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч.

Выходное напряжение ОУ является функцией его входного напряжения. Состояние ОУ, когда U_ВЫХ = 0 при U_ВХ = 0 называется балансом ОУ. Для реальных ОУ условие баланса не выполняется (рис.6.20.). При U_ВХ = 0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля (U_ВЫХ⁺ или U_ВЫХ^–). Напряжение смещения нуля U_{ВХ. СМ. 0} ¾ это напряжение, которое нужно подать, чтобы U_ВЫХ = 0; оно зависит от температуры (следовательно, любой ОУ характеризуется температурным дрейфом U_ВХ.СМ.0) и от изменения питающих напряжений.

К параметрам входной цепи ОУ относят:

1. входное дифференциальное сопротивление ,

2. входное сопротивление синфазного сигнала при постоянной частоте входного сигнала,

3. входные токи смещения I_ВХ.СМ.,

4. разность и дрейф входных токов смещения,

5. максимальное входное дифференциальное напряжение U_ВХ.ДИФmax.

Наличие синфазного напряжения на входах ОУ приводит к появлению выходной синфазной ошибки усиления. Влияние синфазного входного напряжения характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который характеризует свойства ОУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного сигнала.

С точки зрения выхода ОУ характеризуется выходными параметрами:

1. выходное сопротивление R_ВЫХ (десятки – сотни Ом),

2. максимальное выходное напряжение U_ВЫХ.max близко к напряжению питания и может составлять 3¸40 В,

3. максимальный выходной ток I_ВЫХ.maх ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ и составляет десятки мА.

Энергетические параметры ОУ:

1. максимальные потребляемые токи от источников питания Imax,

2. максимальная потребляемая мощность Pmax.

Частотные параметры ОУ определяются по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазо-частотной характеристике ОУ (рис.6.21.).

В области высоких частот, начиная от частоты среза f_СР, АЧХ имеет спадающий характер вследствие частотной зависимости параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ.

Частота единичного усиления ¾ это частота f₁, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице.

Граничная частота f_В ¾ это частота, которой соответствует снижение коэффициента усиления усилителя в раз. По этой частоте оценивают полосу пропускания усилителя. Длч современных усилителей граничная частота составляет величину от десятков кГц до десятков МГц.

Часто АЧХ и ФЧХ строят в логарифмическом масштабе.

Динамические параметры ОУ (скоростные параметры) определяются по реакции ОУ на ступенчатый входной сигнал (рис.6.22.):

1. скорость нарастания выходного напряжения определяется отношением приращения выходного напряжения к времени при изменении выходного напряжения от 0,1U_УСТ до 0,9U_УСТ: ,

2. время установления выходного напряжения определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение изменится от 0,1U_УСТ до 0,9U_УСТ.

Дата добавления: 2015-12-08