7. Операционные усилители.

Микросхемой операционного усилителя принято называть интегральный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, с помощью которого можно строить узлы аппаратуры с параметрами, зависящими только от свойств цепи отрицательной обратной связи, охватывающей этот усилитель. Насчитывают более 200 вариантов узлов аппаратуры, выполненных на основе операционных усилителей (ОУ).

Итак, операционными усилителями далее будем называть усилители постоянного тока с различными видами обратных связей []. Передаточные функции таких устройств, главным образом, определяются параметрами цепи отрицательной обратной связи.

Основное назначение операционного усилителя – построение устройств с фиксированным коэффициентом усиления и точно синтезированной передаточной функцией. Операционные усилители используются для построения таких разнообразных устройств, как стабилизаторы напряжения, генераторы сигналов, видеоусилители, активные частотные фильтры, масштабирующие, логарифмирующие, дифференцирующие, интегрирующие и другие усилители [7].

Для полного описания ОУ необходимо знать более 30 электрических параметров. Для упрощения анализа модель, «идеальный операционный усилитель». Воспользуемся этой моделью. Для такого усилителя собственные (без обратной связи) значения коэффициента усиления Кu и входного сопротивления Rвх должны стремиться к бесконечности, а выходного сопротивления Rвых приближаться к нулю. Идеальный ОУ не накладывает на сигнал ошибок постоянной составляющей. Для реализации отрицательной обратной связи с помощью цепи из пассивных элементов усилитель постоянного тока (УПТ) должен иметь отрицательный коэффициент усиления. Поскольку коэффициент усиления зависит от частоты, на некоторой частоте возможен такой сдвиг фазы, что коэффициент усиления будет положительным и при наличии цепи обратной связи возможно самовозбуждение. Амплитудно–частотная характеристика (АЧХ) усилителя складывается из характеристик его отдельных каскадов.

Первый каскад интегральных усилителей постоянного тока выполнен по схеме дифференциального каскада и, соответственно, такие микросхемы имеют два входных контакта.

Коэффициент усиления усилителя в соответствии с рис. 7.1.

.

Рис. 7.1. Идеальный операционный усилитель

Каждый каскад усилителя имеет собственную постоянную времени и может быть представлен в виде эквивалентной RC цепочки. Суммарная АЧХ аппроксимируется диаграммой с несколькими изломами, называемой диаграммой Бодэ. Каждый каскад на высокой частоте вносит сдвиг фазы, равный 90⁰. Поэтому фазовая характеристика ОУ зависит от количества каскадов. Получение стабильных частотных и импульсных передаточных характеристик достигается коррекцией АЧХ. Для этого добавляются ёмкостные отрицательные обратные связи, изменяющие АЧХ замкнутой системы. Исходя из критериев, даваемых теорией устойчивости линейных систем, спад амплитудно-частотной характеристики на высокой частоте должен быть не более 20 дБ/дек⁴⁴. Приведённое значение характеризует стабильное звено 1-го порядка.

Идеальным по стабильности был бы однокаскадный ОУ, так как максимальное запаздывание по фазе было бы 60⁰. Однако, в однокаскадной схеме не удаётся получить достаточно большой коэффициент усиления (не более 1000). В настоящее время выпускаются двухкаскадные ИС ОУ. Для коррекции АЧХ в этом случае достаточно одного конденсатора.

В качестве схемы двухкаскадного ОУ на рис. 7.2 представлен упрощенный вариант с корректирующим конденсатором.

Рис. 7.2. Упрощенный вариант схемы ОУ с дифференциальным входным каскадом, выполненным на биполярных транзисторах.

В схеме на рис. 7.2 реальные источники тока заменены их условными обозначениями. Входной каскад выполнен на p-n-p транзисторах и является дифференциальным.

Рассмотрим другую упрощенную схему операционного усилителя. Это схема реального двухкаскадного усилителя А741, имеющая структуры, присущую многим операционным усилителям. Схема этого усилителя приведена на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема "классического" двухкаскадного усилителя А741. Схема упрощена (полная схема 24 транзистора)

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p транзисторах Т₁ и Т₂. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на n-p-n транзисторах Т₃ и Т₄. Для выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее соотношение:

I_д= I_к2 -I_к1

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе Т₉. В некоторых ОУ (например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им настраиваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности, потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе Т₆. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе

Т₁₀. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе Т₅. Конденсатор С_к обеспечивает операционному усилителю частотную характеристику вида, приведенного на рис. 3.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах Т₇, Т₈. Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.

Чтобы показать возможность задания функциональных зависимостей, реализуемых решающим усилителем с помощью элементов входной цепи и цепи обратной связи, запишем уравнения, описывающие токи в схеме, приведённой на рис. 7.5. Воспользуемся правилом Кирхгофа⁴⁵ для токов.

Рис. 7.5.

Рассмотрим узел, отмеченный точкой А. Токи, подтекающие к узлу, считаются положительными, а токи, оттекающие от узла – отрицательными.⁴⁶ Запишем сумму токов для узла А.

. (7.1)

Выполнив несложные преобразования, получаем

. (7.2)

Так как в большинстве случаев, встречающихся на практике, |Ku|>>1 и |KuRвх/R₀|>>1, то с достаточной степенью точности можно записать

. (7.3)

Полученное выражение показывает, что с высокой степенью точности, можно считать, что зависимость выходного напряжения от входного определяется величинами сопротивлений во входной цепи и в цепи обратной связи. Эти сопротивления могут быть активными или реактивными, если применить катушки индуктивности и конденсаторы. Эти сопротивления могут быть нелинейными, например, при использовании диодов.

Так как рассматривается «идеальный усилитель», входное и выходное сопротивления УПТ в исходном выражении не учитываются. Оценим погрешность, связанную с тем, что коэффициент усиления УПТ не бесконечен. Поделим в (2) и числитель и знаменатель на Ku.

(7.4)

Значение коэффициента усиления для разных моделей усилителей лежит в пределах от 5000 до 5·10⁶. Если в (7.4) подставить значение коэффициента усиления равное 10000, то получим

.

Для полного описания операционного усилителя необходимо использовать более 30 электрических параметров.

Используют две основные схемы включения ОУ: инвертирующую и неинвертирующую. Фаза выходного сигнала инвертирующего усилителя сдвинута на 180⁰ относительно входного сигнала. В этом случае передаточная функция (идеальный случай)

.

Из последнего выражения следует, что свойства решающего усилителя определяются значениями сопротивлений Z₀ и Z_вх. Используя резисторы и конденсаторы, и, в качестве нелинейных элементов, транзисторы и диоды можно получить устройства с различными характеристиками, как описано далее в разделе 9.

Решающие (операционные) усилители выпускаются для различных применений. Можно поделить их по свойствам на несколько групп, таких как:

а) ОУ широкого применения, характеризующиеся средними значениями параметров и суммарной погрешностью на уровне единиц процентов;

б) прецизионные ОУ

в) быстродействующие ОУ;

г) микромощные ОУ;