Операционные усилители

6.1.1. Назначение и область применения операционных усилителей

Усилители входят в состав любого устройства, в котором производится обработка сигнала, поступающего на вход этого устройства. Они обеспечивают усиление малого сигнала до уровня, необходимого для воспроизведения сигнала большой мощности. С помощью усилителей в составе активных фильтров осуществляется выделение полезного сигнала из смеси с помехами. Операции интегрирования, дифференцирования, сложения и умножения сигналов выполняются с применением усилителей. Таким образом, усилитель является изделием массового применения. До появления микросхем для решения каждой из перечисленных задач разрабатывались и производились индивидуальные усилители. Массовый характер использования усилителей и успехи в технологии изготовления микросхем, в частности твёрдотельных интегральных схем (ИС), обеспечили возможность производства специализированной ИС универсального усилительного устройства, названного операционным усилителем (ОУ).

Операционный усилитель – это многоцелевой дифференциальный, т.е. имеющий два входа, усилитель, обеспечивающий усиление в диапазоне частот от 0 Гц до верхней граничной частоты. Операционные усилители, выпускаемые в виде микросхем, состоят из двух или трех каскадов, не считая выходного. Входной каскад – это дифференциальный каскад, выполненный на биполярных или полевых транзисторах. Второй каскад может быть дифференциальным или недифференциальным; третий, если он есть, – недифференциальный; выходной каскад – двухтактный класса AB. Устойчивость ОУ обеспечивается внутренней или внешней (по отношению к микросхеме ОУ) цепью коррекции.

Разработка и производство одного типа ОУ для всех областей применения невозможна, т.к. требования, предъявляемые к параметрам ОУ, являются противоречивыми для различных областей применения. Например, требования к широкополосности ОУ и обеспечение высоких значений пробивного напряжения явно не совместимы. Действительно, широкополосность означает применение в ИМС высокочастотных транзисторов и, как следствие, наличие малых расстояний между областями базы, коллектора и эмиттера. Это противоречит требованию к высоким значениям пробивного напряжения.

Все операционные усилители подразделяются на 5 групп:

· быстродействующие широкополосные ОУ, которые отличаются высоким быстродействием и широкой полосой пропускания (140УД11, 154УД2, 1420УД1, SL2541B, AD8055…);

· прецизионные (высокоточные) ОУ, характеризующиеся низкой суммарной погрешностью (140УД17, 153УД5, 544УД2, 544УД2, MAX400, ICL7652, OPA177…);

· ОУ общего применения, имеющие средние значения параметров по сравнению с параметрами быстродействующих и прецизионных ОУ (157УД4, 544УД1, 544УД2, 551УД1, LF441…);

· микромощные ОУ, отличающиеся низкой мощностью, потребляемой от источников питания при отсутствии входного сигнала (157УД1, 1040УД2, MAX406, AD8541…);

· мощные ОУ, способные развивать на нагрузке большую выходную мощность (1422УД1, MAX438, 140УД12…).

Выпускаются также микросхемы, содержащие в одном корпусе два и более операционных усилителей (140УД20, 157УД3, 574УД2, 1005УД1, 1401УД4, 1426УД1, 1434УД1…).

Существуют микросхемы ОУ, у которых для уменьшения выходного напряжения дрейфа используется преобразование частотного спектра входного сигнала (140УД13) или периодическая коррекция дрейфа (140УД24).

6.1.2. Параметры операционных усилителей

Электрическая модель операционного усилителя описывается системой параметров, образующих четыре группы: входные параметры, параметры передачи, выходные параметры и параметры цепей питания.

Входные параметры:

1. Напряжение смещения U_СМ (рис. 6.1) – постоянное входное напряжение, при котором напряжение дрейфа на выходе ОУ равно нулю.

2. Температурный дрейф напряжения смещения ∆U_СМ/∆Т – отношение изменения напряжения смещения к приращению температуры, послужившему причиной этого изменения.

3. Коэффициент влияния источников питания К_ВЛ.ИП = ∆U_СМ / ∆Е_i – отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его приращению напряжения питания.

4. Ток смещения I_СМ (входной ток I_ВХ) – постоянный ток (максимальный) одного из двух входов, измеренный при отсутствии входного сигнала.

5. Ток сдвига I_СДВ – разность между токами смещения двух входов.

6. Температурный дрейф тока сдвига ∆I_СДВ/∆Т – отношение изменения тока сдвига к приращению температуры.

7. Входное дифференциальное сопротивление r_ВХ – сопротивление для входного дифференциального сигнала (т.е. сопротивление между двумя входами).

8. Входное синфазное сопротивление r_ВХ.СФ – сопротивление для входного синфазного сигнала (т.е. сопротивление между объединенными входами и общей шиной). Величина r_ВХ.СФ у подавляющего большинства ОУ составляет Ом (входной каскад на биполярных транзисторах) или Ом (входной каскад на полевых транзисторах).

9. Входная емкость С_ВХ – емкость между двумя входами; обычно С_ВХ = (1…5) пФ.

10. Предельное входное напряжение U_ВХ.max – максимальное входное дифференциальное напряжение, не вызывающее необратимых изменений в ОУ. Для ОУ, имеющих защиту от больших входных напряжений, допускается U_ВХ.max = ± Е_i и больше.

11. Предельное входное синфазное напряжение U_{ВХ.СФ.max} (рис. 6.2) – максимальное входное синфазное напряжение, безопасное для ОУ и не вызывающее заметного ухудшения его параметров. В современных ОУ напряжения U_{ВХ.СФ.max} близки к напряжениям питания.

12. Нормированное входное напряжение шума (E_ВХ.Ш - среднеквадратичное значение входного напряжения шума, измеренное в диапазоне частот ∆f ).

13. Нормированный входной ток шума

(I_ВХ.Ш – среднеквадратичное значение входного тока шума, измеренное в диапазоне частот ∆f ).

Параметры передачи:

1. Коэффициент усиления μ – коэффициент усиления дифференци-ального напряжения при холостом ходе на выходе и на частоте, близкой к нулю.

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала

где К_СФ – коэффициент передачи ОУ для синфазного напряжения.

3. Площадь усиления П = μf_ГР (f_ГР = f_В – верхняя граничная частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ (в раз) по отношению к μ₀ (рис. 6.3). Для большинства ОУ П = 2…20 МГц; отдельные типы ОУ могут иметь П = 40…60 МГц.

4. Частота единичного усиления f₁ (рис. 6.3) – частота, на которой модуль функции передачи (коэффициент усиления μ) становится равным единице, то есть 0 дБ.

5. Скорость нарастания выходного напряжения V_U = ∆U_ВЫХ /t_НАР – отношение изменения выходного напряжения к времени t_НАР, за которое это изменение произошло (∆U_ВЫХ = 0,9U_УСТ – 0,1U_УСТ = 0,8U_УСТ ; U_УСТ – установившееся значение выходного напряжения. При измерении V_U ОУ охватывается стопроцентной отрицательной обратной связью.

6. Время установления выходного напряжения t_УСТ – время от момента подачи на вход напряжения до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности, которая обычно находится в пределах (10^-4…10^-2) U_УСТ.

Выходные параметры:

1. Выходное сопротивление r_ВЫХ – отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его изменению тока нагрузки; для большинства ОУ r_ВЫХ = (20…2000) Ом.

2. Предельное выходное напряжение U_ВЫХ.max – максимальная амплитуда неискаженного выходного напряжения. В современных ОУ U_ВЫХ.max приближается к Е_П.

3. Предельный выходной ток I_ВЫХ.max – максимальный ток нагрузки, безопасный для ОУ. В усилителях с защитой от последствий короткого замыкания I_ВЫХ.max – ток короткого замыкания (в табл. 6.1 отмечен звёздочкой *).

4. Минимальное сопротивление и максимальная емкость нагрузки (R_Н и С_Н) – значения, при которых еще гарантируются технические характеристики ОУ. Для большинства ОУ (без учета мощных) R_Н = (1…10) кОм; С_Н = (30…300) пФ.

Параметры цепей питания:

1. Напряжения питания Е_П. Подавляющее большинство ОУ имеют симметричное питание от источников с напряжениями Е_П = ± (3…15) В.

2. Ток питания I_П – потребляемый усилителем от источников питания ток при отсутствии входного сигнала.

В табл. 6.1 представлены значения основных параметров операционных усилителей, выпускаемых промышленностью в виде полупроводниковых интегральных схем. Параметры, приведенные над горизонтальной чертой, относятся к ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах, а под чертой – на полевых транзисторах.

Таблица 6.1

Операционные усилители	Быстродей- ствующие	Прецизи-онные	Общего применения	Микро- мощные	Мощные
UСМ, мВ	2…50	0,03…1	2…20	2…10	5…50
	5…50	0,6…5	2…50	5…50
	100…300	1…50	50…150	100…1000
IСМ , нА		1…120		2…1000	2000…5000
IСДВ , нА		1…100		0,5…500	200…1000
		0,01…1		0,005…5	2…10
rВХ , МОм		1…60		1…30	0,1…2

Продолжение таблицы 6.1

	10…150	1…20	10…150
	0,01…10
	20…200	200…1000	15…500	10…150	1…50
	60…90	90…130	60…90	60…80	60…70
	10…1000	1…20	0,3…3	0,3…5
	10…400	0,5…3	0,2…10	0,01…10	0,2…3
	0,05…1	1…50
	1…20 (20*…50*)	100…1000
	5…25	4…6	3…13	0,03…1	10…20

Функция передачи по напряжению для ОУ в общем случае имеет вид

, (6.1)

где τ_Вi – высокочастотная постоянная времени i-го каскада; n =2 или 3 – число каскадов.

При анализе схем, работающих в области не очень высоких частот (по отношению к частоте ), достаточно учесть только одну постоянную времени :

. (6.2)

Для многих приложений ОУ операционный усилитель можно считать идеальным усилителем с параметрами .

На рис. 6.4 представлено принятое изображение ОУ на функциональных схемах. Он имеет два входных вывода Вх1 и Вх2, помеченных знаками «+» и «–», для подачи двух асимметричных относительно общей точки сигналов, два вывода для подключения двух источников питания +Е_П, - Е_П и один вывод Вых.

При подаче сигнала на вход «+» на выходе ОУ появляется усиленный сигнал, совпадающий по знаку с входным сигналом, т.е. фаза сигнала не сдвигается. При подаче сигнала на вход «-» на выходе ОУ появляется усиленный сигнал, противоположный по знаку входному сигналу, т.е. фаза сигнала сдвигается на 180⁰ (π радиан).

Изображение ОУ на принципиальных схемах на примере ОУ типа КР544УД1 дано на рис. 6.5, где:

· ►∞- усилитель с большим (на НЧ - бесконечным) К_У ;

· W - входные цепи; инверсный вход отмечен колечком;

· m - выходная цепь;

· к контактам R может быть подключён внешний регулировочный резистор.

6.1.3. Макромодель операционного усилителя

Модель – это система интегральных и дифференциальных уравнений (линейных и не линейных), связывающих токи и напряжения схемы.

Параметры модели – это коэффициенты уравнений.

Схема – это графическое изображение системы уравнений.

Модель – это система уравнений либо схема, называемая эквивалентной схемой или схемой модели.

Требуемая точность совпадения параметров физического объекта и его модели определяют уровень сложности модели.

Макромодель отображает основные параметры устройства с помощью набора элементарных моделей.

Макромодель ОУ, отображающая только усиление, показана на рис. 6.6:

U_ВЫХ = (S₁U₁ – S₂U₂ )ּR_ВЫХ .

Дифференциальное усиление

U₁ = - U₂ = U :

U_ВЫХ = (S₁ + S₂ )ּR_ВЫХU = 2 SּR_ВЫХ U.

Синфазное усиление

U₁ = U₂ = U ;

U_ВЫХ = (S₁ - S₂ )ּR_ВЫХU .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОСС

где К_С - коэффициент усиления синфазного сигнала,

К_Д - коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Дополнительно в макромодели (рис. 6.6) можно учесть:

- частотную зависимость коэффициента усиления – подключением конденсатора параллельно выходу;

- частотную зависимость входного сопротивления – подключением резистора и конденсатора параллельно входу;

- напряжение смещения U_СМ – подключением на входе источника постоянного напряжения.

6.1.4. Основные схемы включения ОУ, охваченного ООС

На рис. 6.7 изображена типовая схема включения ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, при подаче входного сигнала на вход «+», (неинвертирующий усилитель).

Коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, находится из соотношения (3.10):

В схеме рис. 6.7

(6.3)

Схема, изображённая на рис.6.7, относится к классу схем с последовательной обратной связью по входу «+» и параллельной обратной связью по выходу. Поэтому при бесконечно большой глубине обратной связи ( ) её входное сопротивление Z_ВХ становится бесконечно большим, а выходное сопротивление Z_ВЫХ стремится к нулю:

(6.4)

(6.5)

Важным особым случаем неинвертирующего усилителя является повторитель (рис. 6.8), у которого R₂ = 0, R₁ = ∞, β = 1.

Для неинвертирующего повторителя

(6.6)

На рис. 6.9 представлена типовая схема включения ОУ, охваченного ООС, при подаче входного сигнала на вход «-» (инвертирующий усилитель).

Поскольку i_ВХ =0 (идеальный ОУ), запишем уравнение Кирхгофа для точки а:

(6.7)

Схема, изображённая на рис.6.9, относится к классу схем с параллельной обратной связью по входу «-» и параллельной обратной связью по выходу. Поэтому при бесконечно большой глубине обратной связи ( ) её входное сопротивление Z_ВХ.А в точке а и выходное сопротивление всей схемы Z_ВЫХ стремятся к нулю. Входное сопротивление всей схемы Z_ВХ равно сумме двух сопротивлений Z_ВХ = Z_ОС1 + Z_ВХ.А, одно из которых Z_ВХ.А стремится к нулю:

(6.8)

(6.9)