Устройство операционных усилителей

Современные ОУ выполняются в виде трех- или двухкаскадных усилителей, ибо однокаскадный усилитель не позволяет получить большой коэффициент усиления. Входным каскадом ОУ служит дифференциальный каскад с большим коэффициентом усиления парафазного сигнала, сравнительно большим входным сопротивлением и сильным ослаблением синфазного сигнала, а так же он должен быть мало чувствительным к изменению напряжения источника питания, температуры и других дестабилизирующих факторов.

Промежуточный каскад осуществляет усиление напряжения и тока ОУ и является согласующим устройством между входным и оконечным каскадами и уменьшает напряжение покоя на выходе ОУ до нуля. А так как ОУ является усилителем с непосредственной связью, то постоянная составляющая возрастает от входа к выходу и промежуточный каскад уменьшает постоянную составляющую до нуля. В промежуточных каскадах для увеличения коэффициента усиления по напряжению часто используются динамические нагрузки, причем каскады могут строится как по симметричной, так и по несимметричной схеме. Оконечный каскад ОУ должен обладать сравнительно большим входным сопротивлением, чтобы не нагружать промежуточный каскад, и малым выходным сопротивлением. Ток и напряжение оконечного каскада должны быть такой величины, чтобы питать предполагаемую нагрузку. Выполнить требования, предъявляемые к оконечным каскадам ОУ, можно только с помощью эмиттерных или истоковых повторителей. Однотактные эмиттерные и истоковые повторители имеют низкий КПД, что приводит к значительному выделению тепла в транзисторе. В связи с этим в оконечных каскадах преимущественно применяются двухтактные эмиттерные или истоковые повторители, выполненные на комплементарной паре транзисторов, работающих в режимах АВ или В. Тем самым удается уменьшить потери в транзисторе и повысить КПД оконечного каскада.

По схемотехническому исполнению ОУ подразделяются на устройства прямого усиления и с преобразованием спектра частот усиливаемого сигнала, основанного на преобразовании медленно изменяющегося напряжения в переменное напряжение основной частоты. Поскольку в устройствах современной электроники в основном применяются ОУ без преобразования сигнала, то они и будут в дальнейшем рассматриваться.

По применению ОУ классифицируются на:

– ОУ общего применения предназначены для использования в аппаратуре, имеющей суммарную погрешность на уровне 1 %, а характеристики ОУ удовлетворяют предъявляемым требованиям. У них полностью отсутствуют или имеется малое число дополнительных внешних компонентов, частота единичного усиления не высока (порядка 1 МГц);

– прецизионные ОУ обладают малым напряжением смещения нуля, малыми шумами, большим коэффициентом подавления синфазного сигнала и большим коэффициентом усиления при отсутствии цепи ОС;

– микромощные ОУ характеризуются малым потреблением мощности от источников питания;

– быстродействующие ОУ характеризуются высоким значением частоты единичного усиления (порядка 10 МГц) и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала.

Однако ОУ специально создан для использования в схемах с глубокой ОС так, чтобы параметры устройства преимущественно определялись параметрами цепи ОС, а сам ОУ должен быть функционально незаменим. Такой ОУ по своим параметрам приближается к идеальному.

Идеальный ОУ описывается следующими параметрами: бесконечными коэффициентом усиления, входным сопротивлением, полосой пропускания, скоростью нарастания выходного напряжения, коэффициентом ослабления синфазного сигнала, быстродействием и нулевыми выходным сопротивлением, напряжением смещения, разностью входных токов, нестабильностью уровня выходного напряжения, температурным дрейфом входного тока.

На практике ни один из параметров идеального ОУ не может быть реализован, однако к параметрам идеального усилителя можно приблизиться с достаточной точностью. В частности, интегральный ОУ – это усилитель напряжения. Согласно терминологии принятой в теории цепей, его обозначение – источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН).

На практике в большинстве случаев операционный усилитель используется с обратной связью. Применение отрицательной обратной связи позволяет увеличить входное сопротивление R_вх, уменьшить R_вых, уменьшить искажения и увеличить стабильность и точность, с которой задается коэффициент усиления.

Если ОУ охвачен положительной обратной связью, то может возникнуть самовозбуждение автоколебаний. Усилитель превращается в генератор и все параметры ОУ ухудшаются по сравнению с ОУ с ООС.

В электрических схемах ОУ обозначается прямоугольником, в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи сигнала. Оба входа ОУ располагаются с левой, а выход с противоположной стороны прямоугольника.

Инвертирующий вход обозначается кружочком или знаком минус, неинвертирующий вход – знаком плюс.

Практическое использование ОУ часто не требует знания внутренней структуры усилителя. Изучение принципа действия основных функциональных и схемотехнических особенностей узлов позволяет определить предельные технические возможности ОУ и корректировать его характеристики и параметры с помощью внешних устройств.

Внутреннюю структуру ОУ рассмотрим на примере ОУ общего применения.

ОУ общего применения

Для большинства современных интегральных ОУ базовой моделью можно рассматривать операционный усилитель К140УД7. Принципиальная схема которого представлена на рис. 11.6. По форме АЧХ и ФЧХ этот операционный усилитель близок к двухкаскадному усилителю.

Входной дифференциальный каскад с симметричным входом и несимметричным выходом собран на транзисторах VT₁–VT₈. Работа его описана при рассмотрении дифференциальных каскадов с активной нагрузкой.

Промежуточный каскад выполнен на транзисторах VT₁₃–VT₁₅. С несимметричного выхода ДУ (коллектор транзистора VT₈) сигнал поступает на базу транзистора VT₁₃, включенного по схеме с ОК, высокое входное сопротивление схемы не нагружает выход ДУ. Сигнал с выхода эмиттерного повторителя поступает на вход усилительного каскада транзистора VT₁₅, включенного по схеме с ОЭ, с динамической нагрузкой двухколлекторного p–n–p транзистора VT₁₄, для этого используется один из его коллекторов В. Рабочий режим транзистора VT₁₄ задается транзистором VT₁₀ в диодном включении. За счет динамической нагрузки промежуточный каскад обеспечивает высокое усиление по напряжению.

Для устойчивой работы в диапазоне частот используется внутренняя коррекция, роль которой выполняет корректирующий конденсатор C₁, включенный в цепь местной обратной связи промежуточного каскада. Возникающая при этом местная ОС изменяет работу ОУ на высоких частотах: происходит заметное увеличение входной емкости промежуточного каскада. При расчете частоты среза входного сигнала можно считать, что емкость обратной связи С₁ ведет себя как конденсатор емкостью C₁(l+K_U), подключенный между входом и землей. Эффективное увеличение емкости С₁ называют эффектом Миллера. ОС одновременно уменьшает выходное сопротивление промежуточного каскада.

Эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT₁₈ (эмиттер А) с динамической нагрузкой (транзистор VT₁₄, коллектор А), не снижает усиление промежуточного каскада. Режим работы VT₁₄ задается транзистором VT₁₀ по принципу токового зеркала, собранного на транзисторах VT₁₁,VT₁₂. Выходной каскад построен по двухтактной схеме на комплементарных транзисторах VT₂₃ и VT₂₄ и работает в режиме класса АВ. Необходимое напряжение смещения транзисторов VT₂₃ и VT₂₄ обеспечивается источником опорного напряжения собранного на транзисторах VT₁₆ и VT₁₇. На транзисторах VT₂₁ и VT₂₂ собрана схема защиты выходного каскада от перегрузки и короткого замыкания. Обычно эти транзисторы закрыты, ибо падение напряжения на резисторах R₁₀ и R₁₁ не велико. При большом выходном токе напряжение на R₁₀ настолько возрастает, что транзистор VT₂₁ открывается, шунтируя вход транзистора VT₂₃ и препятствует увеличению входного тока, т.е. осуществляется защита каскада от короткого замыкания (КЗ) на . Таким же образом осуществляется защита выхода от КЗ на . При открывании транзистора VT₂₂ начинает работать источник стабильного тока на транзисторах VT₁₉ и VT₂₀, который препятствует возрастанию базового тока транзистора VT₁₃ и выходного тока транзистора VT₂₄. Для получения больших значений входных сопротивлений и малых входных токов входные каскады ОУ строятся на полевых транзисторах. Примером ОУ общего применения может служить ОУ К544УД1, выполненный по двухкаскадной схеме, принципиальная схема которого представлена на рис. 11.7. Дифференциальный каскад построен на полевых транзисторах VT₁ и VT₂ с каналом n-типа. Активной нагрузкой этих транзисторов служат коллекторные цепи транзисторов VT₃ и VT₄. Данная нагрузка задает одинаковые токи стоков, что приводит к уменьшению синфазной составляющей и температурного дрейфа каскада. Для стабилизации тока в истоковой цепи дифференциального каскада и уменьшения разброса параметров, характерного для полевых транзисторов, включен источник стабильного тока на биполярных транзисторах VT₆, VT₇, который обеспечивает автоматическую регулировку тока стока транзисторов VT₁ и VT₂.

Транзистор VT₅ задает уровень смещения на транзисторы VT₃ и VT₄, а так же служит повторителем коллекторного напряжения транзистора VT₃ на базе транзистора VT₄. Каскад на транзисторе VT₄ инвертирует этот сигнал, и на коллекторе его получается сумма сигналов, существующих между коллекторными цепями транзисторов VT₃ и VT₄, в связи с чем дифференциальный выход преобразуется в несимметричный. Каскад на транзисторах VT₃ и VT₄ служит источником тока, а совместно с повторителем на транзисторе VT₅ называют

токовым инвертором. Сигнал с несимметричного выхода дифференциального каскада поступает на вход каскада промежуточного усиления, собранного на транзисторе VT₁₀ по схеме с ОЭ. Нагрузкой данного каскада является большое динамическое сопротивление источника стабильного тока, собранного на транзисторе VT₈, за счет чего достигается большой коэффициент усиления. Выходной каскад собран на комплементарных транзисторах VT₁₄ и VT₁₈, работающих в режиме класса АВ. Смещение на базах выходных транзисторов осуществляется источником опорного напряжения на транзисторах VT₁₁ и VT₁₂.

Защита выходного каскада от перегрузки и короткого замыкания осуществляется транзисторами VT₁₆ и VT₁₇. Работает схема аналогично как и у ОУ К140УД7.

Инвертирующий усилитель

Возможности ОУ как основы аналоговой схемотехники определяются многообразием вариантов его использования в аналоговых устройствах с цепями ООС. Высокий коэффициент усиления по напряжению К_U, которым обладает ОУ без обратной связи, делает затруднительным использование ОУ в линейных (без искажений) схемах.

Постоянное дифференциальное входное напряжение, возникающее из-за асимметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, может вызвать у ОУ, имеющего большой коэффициент усиления, смещение или сдвиг постоянного выходного напряжения с нуля до предельного значения U_вых. Операционный усилитель при этом может перейти в режим насыщения, устройство теряет усилительные свойства. Выпускаемые промышленностью ОУ имеют разброс коэффициента усиления, который зависит как от температуры, так и от напряжения источников питания. В связи с этим ОУ всегда используются с глубокой внешней обратной связью, чаще других применяется параллельная ОС по напряжению, что обеспечивает получение требуемой стабильности нуля выходного напряжения и коэффициента усиления.

Операционные усилители используются в качестве инвертирующих и неинвертирующих усилителей, повторителей напряжения, интегрирующих и дифференцирующих, коммутирующих устройств, а так же для создания аналого-цифровых, цифро-аналоговых преобразователей, активных фильтров и других устройств.

Принципиальная схема инвертирующего усилителя без цепей электропитания и частотной коррекции показана на рис. 11.8,а. Входной сигнал подан на инвертирующий вход, поэтому выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Резистор R₁ учитывает так же внутреннее сопротивление R_г источника сигнала Е_г. Неинвертирующий вход соединен с общей шиной (землей) через резистор R₂. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой можно считать такую модель идеальной, и в ней выполняются следующие условия K_U®¥, K_I®¥, где K_U и K_I – коэффициенты усиления

по напряжению и току без обратной связи. По цепи резистора R_oc выходной сигнал поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом, и ОУ охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Поэтому коэффициент усиления по напряжению ОУ определяется соотношением

U_вых = K_U(U_{вx инв}–U_{вx неинв}). (11.11)

Поскольку выходное напряжение U_вых ограничено источником питания, а коэффициент усиления K_U имеет очень большое значение, то разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах должна быть очень малой. В противном случае ОУ будет заходить в область насыщения, что приведет к ограничению положительного и отрицательного значений его выходного напряжения. В связи с этим потенциал на инвертирующем входе (точка О) близок к нулю. Точку О принято называть "кажущейся землей" или "точкой виртуального заземления". Виртуальное заземление означает, что напряжения на входах ОУ практически одинаковы, т.е. . А так как входное сопротивление ОУ имеет очень высокое значение, то входной ток ОУ практически отсутствует. Поэтому ток I_г, протекающий через резистор R₁, так же должен протекать и через R_oc: I_г = I_ос. Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы легко рассчитать с помощью понятия виртуального заземления

. (11.12)

Уравнение (11.12) показывает, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик и параметров самого ОУ. Знак "минус" в (11.12) указывает на инвертирование сигнала.

Для реального ОУ необходимо учитывать входной ток самого ОУ I_вх, т.е I_г = I_ос + I_вх. Однако, чем больше К_UОУ и R_вхОУ операционного усилителя, тем меньше влияние I_вх, и на практике можно пользоваться выражением (11.12) с допустимой погрешностью.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на операционном усилителе R_{вх инв} имеет относительное небольшое значение ввиду сильного влияния параллельной ООС по напряжению

. (11.13)

Анализ выражения (11.13) показывает, что при большом коэффициенте усиления К_{U ОУ}, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется внешним резистором R_l, который на практике равен или меньше 10 кОм (R_l £ 10 кОм). Выбрать большим R_l нельзя, ибо в соответствии с выражением (11.12) необходимо увеличивать R_oc. При высокоомных R₁, R_oc, R_{вх ОУ} инвертирующий усилитель становится неустойчивым из-за влияния входной емкости ОУ. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя невелико и определяется как небольшим R_{вых ОУ}, так и глубокой ООС по напряжению

. (11.14)

Анализ выражения (11.12) показывает, что изменять величину коэффициента усиления можно с помощью резисторов R_oc и R_l. Однако, сопротивление резистора R_l определяет входное сопротивление инвертирующего усилителя, поэтому изменять коэффициент усиления можно только с помощью резистора R_oc. Если выбрать R_l = R_oc, то коэффициент усиления будет равен 1. Такой усилитель на ОУ принято называть инвертирующим повторителем напряжения (инвертором сигнала).

11.8. Неинвертирующий усилитель

В этом усилителе входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а на инвертирующий вход подается сигнал обратный связи через делитель R_l, R_oc. Усилитель охвачен последовательной ООС по напряжению. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 11.8,б.

Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R₁, R_oc, пропорционально выходному напряжению усилителя

. (11.15)

Сопротивление R₁+R_oc необходимо выбирать таким, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усилителя. Поскольку U_bx и U_oc подаются на разные входы операционного усилителя, то для идеального ОУ U_bx=U_oc, и коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по напряжению равен

. (11.16)

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя меньше чем неинвертирующего при одинаковых значениях R₁, R_oc и глубине обратной связи. Это различие обусловлено тем, что в инвертирующем усилителе входное напряжение дополнительно ослабляется делителем R_l, R_oc.

За счет глубокой последовательной ООС, охватывающей усилитель, и большого входного сопротивления операционного усилителя R_{вх ОУ} входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется следующим выражением:

. (11.17)

Анализ выражения (11.17) показывает, что с уменьшением коэффициента усиления К_{U неинв} входное сопротивление неинвертирующего усилителя возрастает и может составлять единицы-десятки ГОм.

Благодаря глубокой отрицательной обратной связи по напряжению и при одинаковой ее глубине выходное сопротивление в неинвертирующем и инвертирующем усилителях мало R_{вых инв}=R_{вых неинв} и не превышает десятков Oм.

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе коэффициент усиления К_{U неинв} уменьшается и при 100 % ООС стремится к единице. Неинвертирующий усилитель становится повторителем напряжения. Этот повторитель выполняет те же функции согласующего каскада, что эмиттерный и истоковый повторители.

Так как в повторителе напряжения все выходное напряжение должно поступать на вход, то необходимость в резисторах R_oc и R₁ отпадает (рис. 11.9). На основании закона Кирхгофа для входной цепи можно записать

, (11.18)

а так как выходное напряжение в свою очередь связано с U_д следующей зависимостью U_вых=K_{U ОУ}U_д, то выражение (11.18) преобразуется к виду

.

Ввиду того что К_{U ОУ} очень велико, то U_д стремится к нулю, в результате чего U_вх=U_вых. Учитывая, что U_bx подается на неинвертирующий вход, то сигнал на выходе совпадает по фазе и амплитуде со входным.

Входное сопротивление повторителя рассчитывается по формуле (11.17) при К_{U неинв}=1 и достигает значения сотен–тысяч МОм. Выходное же сопротивление очень мало (доли Ома). В связи с этим повторитель напряжения является почти идеальным согласующим или буферным каскадом.

Инвертирующий и неинвертирующий усилители широко применяются в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.

Суммирующие схемы

К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Эти схемы используются для решения алгебраических уравнений и в устройствах аналоговой обработки сигналов. Сумматором называется устройство, на выходе которого сигналы, подаваемые на его входы, суммируются. Сумматоры строятся с использованием инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующий сумматор

Схема инвертирующего сумматора с тремя входными сигналами приведена на рис. 11.10. Для простоты рассуждений принимаем, что R₁=R₂=R₃=R_oc.

Поскольку у идеального ОУ K_U®¥,R_вx®¥, а ток смещения очень мал по сравнению с током обратной связи, то согласно закона Кирхгофа

I₁+I₂+I₃=I_ос. (11.19)

Вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, то в нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Выражение (11.19) может быть представлено в виде

(11.20)

и при R_ос=R₁=R₂=R₃ U_вых = –(U₁+U₂+U₃).

Следовательно на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений. Если R₁¹R₂¹R₃, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений (11.20) с различными масштабными коэффициентами. Инвертирующий сумматор объединяет в себе функции сумматора и усилителя при сохранении простоты схемы. Резистор R служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ, вызванного временными и температурными колебаниями входного тока. Сопротивление R выбирают токай величины, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ были одинаковы: R=R_oc||R₁||R₂||R₃.

Неинвертирующий сумматор

Схема неинвертирующего сумматора, который строится на базе неинвертирующего усилителя, приведена на рис. 11.11. Так как при U₀=0 напряжения на инвертирующем и неинвертиющем входах равны, то

. (11.21)

Учитывая, что R_{вx ОУ} по неинвертирующему входу очень велико, то входной ток равен 0. Согласно закона Кирхгофа можно записать

. (11.22)

Откуда , где n – число входов, и

. (11.23)

Если же в схеме (рис. 11.11) еще подаются сигналы на инвертирующие входы, то схема выполняет операцию сложения-вычитания.

Для правильной рабо- ты сумматора необходимо сбалансировать инвертирую-щий и неинвертирующий коэффициент усиления, т.е. обеспечить равенство сумм коэффициентов усиления инвертирующей и неинвертирующей частей схемы.

Интегрирующий усилитель

Интегрирующий усилитель (интегратор) строится на базе инвертирующего усилителя путем замены резистора обратной связи конденсатором и его часто называют интегратором Миллера.

Схема интегратора приведена на рис. 11.12. Интегрирование используется при решении дифференциальных уравнений, обработке и генерировании электрических сигналов. Используя те же свойства идеального ОУ (K_U®¥, R_вход®¥), что и для инвертирующего усилителя, получаем, что входной ток протекает через конденсатор в цепи обратной связи

, где . (11.24)

Напряжение на конденсаторе U_C и выходное напряжение усилителя изменяются по закону

. (11.25)

Произведение RC называют постоянной времени интегратора и имеет размерность времени, что соизмеримо с размерностью сигнала действующего на входе интегратора. При подаче на вход интегратора скачка напряжения постоянной величины U_вх=const, напряжение на выходе U_вых=U_вxt/(RC) не зависит от коэффициента усиления ОУ. Конденсаторы, используемые в интеграторах, должны иметь малые токи утечки, чтобы обеспечивать достаточную точность интегрирования. На точность интегрирования оказывают влияние входной ток ОУ, который, протекая через конденсатор обратной связи С, заряжает его, а так же напряжение смещения, которое влияет на входное напряжение, изменяя его и также подзаряжая конденсатор. Для повышения точности интегрирования необходимо:

1. Использовать ОУ с низким напряжением смещения;

2. Выбирать ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах;

3. Включать между неинвертирующим входом и землей резистор, шунтируя его иногда конденсатором.

Интеграторы широко применяются при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, точных фазосдвигающих устройств, обеспечивающих получение фазового сдвига напряжения величиной 90° с погрешностями минуты–десятки минут, а также в качестве фильтров низких частот.