Общие сведения об операционных усилителях. Параметры и характеристики операционных усилителей. Погрешности операционных усилителей.
Общие сведения об операционных усилителях.
Операционные усилители (ОУ) – это усилители, название которых связано с использованием этих усилителей для моделирования операций. Они относятся к классу усилителей постоянного тока прямого усиления.
Характерными особенностями ОУ являются большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивления, широкая полоса пропускания, дифференциальный вход. Перечисленные свойства, а также интегральная технология изготовления сделали ОУ одним из основных компонентов современных аналоговых электронных схем. ОУ также нашли широкое применение в импульсной технике в качестве компараторов, релаксационных генераторов. Условное графическое обозначение ОУ и его основные выводы показаны на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 – Условное графическое изображение ОУ
Операционный усилитель по отношению к нулевому уровню имеет два входа и один выход. Вх.1, обозначенный знаком «–», называют инвертирующим. Выходное напряжение ОУ по знаку или фазе противоположно напряжению на этом входе. Вх.2, обозначенный знаком «+», называют неинвертирующим, выходное и входное напряжения имеют одинаковые знак или фазу. Между Вх.1 и Вх.2 образуется дифференциальный вход усилителя.
При подаче входного сигнала напряжение на выходе может как увеличиваться, так и уменьшаться. Поэтому для питания ОУ используют, как правило, два разнополярных источника питания 
и 
, причем 
. Входное напряжение подают на один из входов, а на второй вход подают постоянный. Например, нулевой потенциал или на оба входа подают два разных напряжения от двух раздельных источников. В обоих случаях на дифференциальном входе ОУ действует дифференциальный входной сигнал 
.
Если входные напряжения 
и 
одинаковы и у них совпадают амплитуды и фазы, то их называют синфазными входными напряжениями, или синфазным сигналом 
. Синфазные сигналы являются вредными и возникают в результате внешних наводок на цепи ОУ, а также при колебаниях напряжений питания, окружающей температуры и т.п., поэтому синфазные сигналы иногда называют синфазными помехами.
Общая структурная схема ОУ показана на рисунке 10.3.
Рисунок 10.3 – Структурная схема ОУ
Для ОУ являются обязательными два, а иногда три каскада усиления, которые обеспечивают большой коэффициент усиления, каскад смещения или сдвига уровня, который обеспечивает на выходе нулевой потенциал при отсутствии входного сигнала, и выходной каскад, обеспечивающий малое выходное сопротивление ОУ. Кроме этих общих для всех ОУ функциональных узлов в конкретных типах ОУ дополнительно применяют входные и межкаскадные эмиттерные повторители, цепи защиты входа ОУ от перенапряжений и выхода ОУ от короткого замыкания, а также цепи внутренней коррекции частотной характеристики ОУ.
В первом каскаде усиления применяют балансный УПТ с симметричным дифференциальным входом. В качестве второго каскада усиления используют балансный УПТ с несимметричным выходом. Простейшим выходным каскадом ОУ является эмиттерный повторитель, работающий в линейном режиме. При использовании в электронных устройствах ОУ почти всегда охвачен обратной связью. Именно в совокупности с цепями обратных связей ОУ образует определенный функциональный узел и выполняет заданные операции, поэтому необходимо различать параметры собственно ОУ как отдельного элемента и параметры узлов, выполненных на базе ОУ.
Параметры и характеристики операционных усилителей.
Система параметров, характеризующих операционный усилитель, помимо приведенных выше общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических показателей, к ним относятся:
• напряжение смещения 
(1…10 мВ) – приведенное ко входу напряжение, необходимое для смещения амплитудной характеристики в начало координат, т.е. приведения к нулю выходного напряжения ОУ при отсутствии входных сигналов в нормальных климатических условиях, напряжение смещения подается на один из входов ОУ или на специальный вход при настройке схемы;
• температурный коэффициент напряжения смещения 
(10...50 мкВ/°С);
• входной ток ОУ 
(10...200 нА), определяемый как полусумма входных токов каждого входа;
• ток сдвига 
(1... 100 нА);
• температурный коэффициент тока сдвига 
(0,1...10 нА/°С);
• коэффициент передачи синфазного сигнала 
(1…10);
• коэффициент ослабления синфазного сигнала (50...80 дБ) 
, где 
– собственный коэффициент усиления ОУ;
• скорость 
нарастания напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса напряжения (10...50 В/мкс);
• граничная частота 
полосы пропускания, при которой 
падает до 0,7 своего значения при нулевой частоте входного сигнала (10...50 КГц);
• частота единичного усиления 
при которой 
уменьшается до 1 (1...10 МГц).
Параметры , 
позволяют определить реальную величину 
на заданной частоте входного сигнала (в скобках указан примерный диапазон параметров, характерный для современных ОУ различных типов). Кроме того, нормируются также предельно допустимые величины напряжений питания ОУ, входных дифференциального и синфазного напряжений.
На рисунке 10.4 представлена схема инвертирующего усилителя. В исходном состоянии напряжение на входе и выходе усилителя равно нулю. Внешние резисторы 
, 
образуют цепь ООС, резистор 
используют для компенсации влияния входных токов ОУ, являющихся одной из причин дрейфа выходного напряжения (механизм этого влияния будет рассмотрен далее).
Рисунок 10.4 – Схема инвертирующего усилителя
При анализе схем с ОУ используется понятие «идеальный ОУ», у которого 
, 
, 
. Эти приближения позволяют сформулировать два правила для идеального ОУ:
• 
(так называемый эквипотенциальный нуль, когда потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов одинаковы, но сопротивление между ними очень велико);
• 
(ОУ по входам тока не потребляет). Эти правила существенно облегчают расчеты при приемлемом уровне погрешности, которая тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к идеальным, что имеет место у современных интегральных ОУ. Пользуясь указанными приближениями и основными выводами теории обратной связи, можно записать вместо очевидного соотношения 
уравнение 
, так как 
и 
. Тогда получим напряжение обратной связи и коэффициент обратной связи в виде
Далее можно условно считать, что 
, ( 
), т.е. входное сопротивление схемы относительно невелико, что является особенностью инвертирующего ОУ. Внешний коэффициент усиления 
найдем из следующих очевидных для идеального ОУ соотношений:
Знак «–» отражает инвертирующие свойства данной схемы. Выходное сопротивление схемы приблизительно 
. Указанным способом можно получить вполне приемлемые для инженерных расчетов основные параметры схемы усилителя.
Если 
, то 
, т.е. этот усилитель будет выполнять роль инвертора – устройства, изменяющего только знак входного сигнала без изменения его величины.
На рисунке 10.5 представлена схема неинвертирующего усилителя.
Рисунок 10.5 – Схема неинвертирующего усилителя
Здесь входной сигнал подают на неинвертирующий вход ОУ, сигнал на выходе имеет тот же знак. Так как в ОУ с ООС потенциалы входов равны, то можно считать
, откуда 
Входное сопротивление 
, т.е. оно гораздо больше, чем у инвертирующего усилителя. Выходное сопротивление 
Приведенные схемы включения операционных усилителей являются базовыми для многочисленных устройств преобразования информационных сигналов, синтеза генераторных схем различного назначения и др.
Погрешности операционных усилителей.
Для усилителей постоянного тока, в частности операционных, характерны как мультипликативная, так и аддитивная погрешности. Рассмотрим их влияние на примере инвертирующего операционного усилителя, показанного на рисунке 10.4, полагая ОУ «идеальным». Из формулы коэффициента усиления 
следует, что источником мультипликативной погрешности является нестабильность резисторов отрицательной обратной связи, следовательно,
.
Поскольку погрешности резисторов независимы друг от друга, то результирующую погрешность можно найти как их геометрическую сумму:
Основная составляющая приведенной погрешности может быть, скомпенсирована при настройке схемы регулировкой резисторов ОС, кроме того, целесообразно применять прецизионные резисторы в цепи ООС. Дополнительная мультипликативная погрешность зависит от термостабильности параметров резисторов цепи обратной связи:
,
где 
– температурный коэффициент резистора; 
– температурный диапазон, °С.
Практически приемлемую компенсацию указанной погрешности можно получить, увеличивая петлевое усиление цепи отрицательной обратной связи.
Аддитивная погрешность инвертирующей схемы усиления на базе ОУ возникает благодаря действию на входе напряжения смещения и входных токов. Основная составляющая абсолютной аддитивной погрешности может быть представлена следующим образом:
.
В приведенной формуле зеркальное чередование знаков у второго и третьего членов объясняется свойством соответствующих входов ОУ по-разному (с разным знаком или фазой) передавать входной сигнал на выход, о чем говорилось ранее. Анализ приведенной формулы позволяет сделать ряд рекомендаций по уменьшению основной аддитивной погрешности, а именно:
• обеспечить равенство 
, исключив тем самым влияние входных токов;
• минимизировать величины 
, 
в целях уменьшения влияния тока сдвига;
• схемотехнически предусмотреть возможность балансировки операционного усилителя, исключив тем самым влияние 
и тока сдвига.
Дополнительная аддитивная погрешность возникает из-за термостабильности таких параметров, как напряжение смещения и ток сдвига:
Компенсация влияния этой погрешности представляет собой наиболее трудную задачу особенно для схем, работающих в широком температурном диапазоне. Помимо очевидного способа – увеличения петлевого усиления цепи отрицательной обратной связи – в ряде случаев используются так называемые методы функциональной избыточности, предполагающие введение в усилительную схему дополнительных элементов.
Контрольные вопросы
1 Каковы характерные особенности операционных усилителей?
2 Почему дифференциальные каскады имеют малый дрейф выходного напряжения?
3 В чем основные особенности схемотехники балансного УПТ?
4 Какой сигнал в УПТ называется синфазным?
5 Какие типовые каскады присутствуют в структурной схеме операционного усилителя?
6 Какие специфические параметры имеет операционный усилитель?
7 В чем разница между инвертирующим и неинвертирующим операционными усилителями?
8 Охарактеризуйте понятие «идеальный ОУ». Как оно используется на практике?
9 Какой тип обратной связи используется в операционных усилителях?
10 Какие погрешности характерны для ОУ?
11 Какие методы минимизации погрешностей ОУ используются в схемах измерительных усилителей?
Лекция 11