Схемотехника и характеристики ОУ

В начале курса говорилось, что электронные устройства подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные (цифровые). Так же подразделяются микросхемы (есть и аналого-цифровые ИС).

Основным элементом современных устройств аналоговой обработки сигналов является операционный усилитель (ОУ). Это усилитель постоянного тока, выполненный в виде монолитной ИМС и обладающий большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Первоначально усилители с подобными характеристиками использовались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных устройствах, отсюда их название.

Современные ОУ имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, знание которой в общих чертах необходимо для того, чтобы выбирать параметры элементов внешних цепей, понимать назначение цепей коррекции, анализировать схемы с нестандартным включением усилителя, определять допустимые замены, отыскивать неисправности.

Схемотехнические приемы, использующиеся в ОУ, характерны и для других ИС, выполняющих обработку аналоговых сигналов.

Основным схемотехническим узлом аналоговых интегральных схем является дифференциальный усилитель (см. раздел 10). В ОУ дифференциальный каскад является первым (входным). Выходной сигнал дифференциального каскада усиливается по напряжению промежуточным каскадом и по мощности – выходным каскадом.

Типичная трехкаскадная схема современного ОУ, показанная на рис. 11.1, является несколько упрощенной, однако дает достаточное представление для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре.

Напряжение питания ОУ, как правило, двуполярное, что позволяет усиливать как положительные, так и отрицательные сигналы.

Вход, обозначенный на рис. 11.1 знаком "–", называется инвертирующим, так как при изменении напряжения, подаваемого на него, выходное напряжение изменяется с противоположным знаком. Соответственно изменение напряжения на входе, обозначенном знаком "+" (неинвертирующем), вызывает синфазное изменение выходного напряжения.

Промежуточный каскад выполнен на транзисторе VT7. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5, а для увеличения коэффициента усиления промежуточного каскада его нагрузкой является источник тока на транзисторе VT6. Выходной каскад на транзисторах VT10, VT11 представляет собой двухтактный усилитель мощности. Резисторы R в эмиттерах выходных транзисторов ограничивают сквозной ток в режиме переключения и одновременно являются датчиками тока перегрузки: при возрастании выходного тока увеличивается падение напряжения на резисторе R, вследствие чего открывается один из транзисторов VT8 или VT9, ограничивая ток базы выходного транзистора.

Выводы, обозначенные "FC" и "NC", предназначены соответственно для частотной коррекции и для коррекции нуля; их назначение описано ниже.

На рис. 11.2, а показаны условные графические обозначения ОУ, используемые в технической литературе. Инвертирующий вход обозначается знаком "–" или знаком инверсии ○. Чаще всего в иллюстративных целях изображают только входы и выходы; при необходимости показать цепи питания и коррекции дополнительные выводы могут располагаться сверху и снизу. При изображении ОУ в конструкторских документах необходимо выполнять требования стандартов ЕСКД: по ним схема рис. 11.1 должна иметь вид рис. 11.2, б.

Важнейшие параметры ОУ. Параметры, характеризующие качество ОУ, можно разделить на три большие группы: статические, динамические и эксплуатационные.

Статические параметры влияют на точность преобразования медленно меняющихся сигналов. Важнейшие из них – коэффициент усиления, напряжение смещения и входной ток.

Динамические параметры характеризуют быстродействие ОУ. Их можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся частота среза f_ср и частота единичного усиления f_т. Эти параметры называются малосигнальными, так как они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ. Параметры второй группы измеряются при большом дифференциальном входном сигнале (U_вх.д >> 50 мВ для ОУ на биполярных транзисторах и U_вх.д >> 1 В для ОУ с полевыми транзисторами на входе). Во второй группе важнейшим параметром является скорость нарастания выходного напряжения v.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей (максимальное входное синфазное и дифференциальное напряжения; максимальный выходной ток или минимальное сопротивление нагрузки) и требования к напряжению питания. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ.

Параметры ОУ изменяют свое значение при изменении температуры и напряжения питания. Это явление называется дрейфом.

Рассмотрим параметры ОУ более подробно.

Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления ДУ и промежуточного усилителя. Типичными для массовых ОУ среднего уровня являются значения 20 –100 тыс.

Напряжение смещения нуля и способы его уменьшения.При равных потенциалах на входах реального ОУ его выходное напряжение отличается от нуля. Для компенсации этой погрешности на вход ОУ необходимо подать некоторую разность напряжений, называемую напряжением смещения нуля U_см. В ДУ на биполярных транзисторах величина U_см определяется в основном разбросом напряжений эмиттер-база входных транзисторов, в ДУ на полевых транзисторах – разбросом напряжений исток-затвор. Значение U_см составляет обычно от 2 до 5 мВ для биполярных входных каскадов и от 20 до 50 мВ для каскадов на полевых транзисторах. Для компенсации напряжения смещения во многих ОУ предусмотрены специальные выводы NC (см. рис. 11.1), к которым подключается компенсирующий потенциометр R_к.

Температурный дрейф напряжения смещения составляет обычно от 3 до 10 мкВ/ºС, дрейф, обусловленный изменением напряжения питания – от 10 до 100 мкВ/В.

Входные токи.В ДУ на биполярных транзисторах I_вх = I₁/h_21э. При типичных значениях I₁ = 10мкА и h_21Э = 100 получаем I_вх = 0,1 мкА. Температурный дрейф входных токов определяется в основном температурным дрейфом коэффициента усиления по току h_21э, так как ток генератора I_Г стабилизирован. В ДУ на полевых транзисторах входные токи на несколько порядков меньше (типичные значения от 0,05 до 0,2 нА), однако их зависимость от температуры гораздо сильнее.

Входные токи, протекая через цепи источников входных сигналов, создают разницу падений напряжений на их внутренних сопротивлениях R_вн1 и R_вн2,равную ΔU = I_вх1R_вн1 – I_вх2 R_вн2 (рис. 11.3).

Величина ΔU действует на входе ОУ как ложный дифференциальный сигнал. Наиболее простой путь уменьшения ошибки, вызванной входными токами, заключается в выравнивании эквива­лентных сопротивлений, подклю­ченных к входам ОУ. Иногда для этой цели последовательно с входом ОУ включают дополнительный резистор.

у

Динамические параметры ОУ. Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры коэффициент усиления ОУ зависит от частоты. Типичные частотные характеристики ОУ изображены на рис. 11.4.

При увеличении частоты входного сигнала величина дифференциального коэффициента усиления К_у(f) уменьшается, а отставание по фазе φ(f) выходного сигнала относительно входного увеличивается, рано или поздно достигая величины минус 180º. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУв этой частотной области фактически меняются ролями: ООС, которая обычно осуществляется подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя, превращается в ПОС. При этом возможно возникновение автоколебаний усилительной системы. Для исключения самовозбуждения между выходами ДУ и промежуточного усилителя включают конденсатор частотной коррекции C_к. Для этого в корпусе ОУ предусмотрены специальные выводы FC (см. рис. 11.1). Во многих современных ОУ корректирующий конденсатор выполняют встроенным.

Величина C_к выбирается таким образом, чтобы передаточная функция усилителя была однополюсной, т.е., чтобы его частотная характеристика была эквивалентна характеристике фильтра нижних частот первого порядка (пунктирная прямая на рис. 11.4). На высоких частотах именно C_к является нагрузкой ДУ. Следовательно, на частотах, превышающих частоту полюса,

Отсюда можно найти частоту единичного усиления f_т = I₁/(2πφ_тС_к). Типичным для универсальных ОУ является значение f_т ≈ 1 МГц.

Если на вход ОУ подан большой дифференциальный прямоугольный сигнал U_п , полностью переключающий ток I_г = 2I₁ из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Скорость нарастания выходного напряжения v будет определяться скоростью заряда С_к током 2I₁, ее значение для массовых ОУ обычно не превышает 1 – 2 В/мкс.

Разновидности ОУ.Разработчики микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров усилителей за счет применения новых схемотехнических решений и совершенствования технологии. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно: улучшение одного параметра часто осуществляется за счет другого. Например, увеличение коэффициента усиления влечет за собой ухудшение частотных свойств, и наоборот. Кроме того, требования к ОУ в различных схемах неодинаковы: так, в измерительных устройствах важнее всего точность, в схемах обработки сигналов на первый план часто выходит быстродействие.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Их можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и на полевых транзисторах с изолированным затвором. В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или МОП-транзисторы обычно используются в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление.

Большая часть выпускаемых ОУ – усилители общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой мощности. Обычные параметры: K_U = (20…200)∙10³; U_см = 0,1…20 мВ; f_т = 0,1…10 МГц.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_т = 20…1000 МГц, v = 10…1000 В/мкс).

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (более 5∙10⁵), малое напряжение смещения нуля (не более 0,5 мВ) и малый входной ток при низком или среднем быстродействии.

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания. Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы можно было найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием, некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока, увеличение – к обратному результату. Типичная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ – десятки микроампер, а для такого образца как МАХ406 – не более 1,2 мкА. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу при напряжениях питания от ± 0,8 В до ± 18 В при токе потребления 15 мкА.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Так, ИМС 140УД20 имеет в корпусе два ОУ типа 140УД7. Есть микросхемы, содержащие в корпусе четыре однотипных усилителя.

Об ОУ типа «rail-to-rail». Здесь же обсудить насыщение ОУ.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания ± 15 В и допускают выходной ток до 20 мА. Этого недостаточно для управления некоторыми мощными нагрузками. Поэтому выпускаются ОУ, допускающие более высокие питающие (соответственно выходные) напряжения и большие выходные токи. К высоковольтным относят ОУ, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 В. К мощным принято относить усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА.

Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить модель LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Выпускаются ОУ с номинальным напряжением питания ± 200 В, выходным напряжением ± 170 В и выходным током до 14 А. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима D, который описан ранее в разделе "Усилители мощности". Рекордными являются характеристики гибридного усилителя SA08 фирмы Apex Microtechnology с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

Понятие идеального ОУ. В большинстве случаев при анализе схем, построенных на ОУ, пользуются понятием "идеальный операционный усилитель". Под этим подразумевается ОУ, обладающий следующими свойствами:

─ бесконечно большой коэффициент усиления дифференциального сигнала;

─ нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала;

─ бесконечно большое входное сопротивление;

─ бесконечно малое выходное сопротивление;

─ нулевое напряжение смещения нуля;

─ бесконечно широкая полоса пропускания.

[Первые три свойства наиболее важны при анализе работы схем.]

Параметры современных ОУ весьма близки к идеальным. Отличие реальных параметров от идеальных учитывается, если необходимо определить погрешность преобразования сигнала.