5 Аналоговые интегральные схемы

5.1 Основные определения. Классификация операционных усилителей

Аналоговые интегральные схемы осуществляют преобразование входного сигнала в непрерывную функцию на выходе.

Основу большинства аналоговых ИС составляют операционные усилители. Также к ним относятся устройства, в которых используются цифровые каскады: компараторы, умножители, цифро-аналоговые преобразователи, аналого-цифровые преобразователи.

Операционный усилитель (ОУ) – это интегральная микросхема, на выходе которой формируется напряжение, равное по величине усиленной разности между входами.

ОУ имеет два входа (один из которых инвертирующий, а другой - неинвертирующий) и один выход (рис. 5.1).

Инвертирующим входом называется тот, при действии на который выходным сигналом на выходе возникает сигнал, отличающийся по фазе от входного на π.

U _вых = К(U_и - U_н),

где К – коэффициент усиления

U_д = U_и - U_н – дифференциальный сигнал

Большинство ОУ питаются от двух источников питания, равных по величине, но противоположных по знаку. В низковольтных операционных усилителях напряжение питания около 3 В, а в высоковольтных – до 18 В. Если применяется два напряжения питания, то сигнал на выходе является двухполярным. Если применяется униполярным сигнал, то он должен быть в два раза больше.

Операционные усилители классифицируются на:

- ОУ общего назначения;

- прецизионные, у которых погрешность коэффициента передачи не превышает 0,1 %;

- быстродействующие;

- микромощные, имеют малый ток потребления, применяются с батарейками питания;

- мощные, с выходным током до 1 А.

К типовым сериям операционных усилителей относятся такие серии, как К140, К156, К154, К198, К544, КМ551, К574.

5. 2 Основная характеристика и параметры операционных усилителей

1. Основной характеристикой ОУ является передаточная характеристика (рис. 5.2).

Входной сигнал в ОУ ограничен и при работе в цепях без обратной связи имеет малое значение.

Допустим, напряжение питания равно 15В, коэффициент усиления К равен 1000, тогда

U _{вых max} = U_пит -1 = (15-1) В = 14 В,

U_{вх max} = U_{вых max}/К = 14 мВ.

В реальных ОУ из-за отклонений элементов схемы передаточная характеристика может быть смещена (рис. 5.3).

ОУ обычно используются с применением цепей обратной связи (рис. 5.4).

О дним из важных свойств операционных усилителей является большой коэффициент передачи К. Тогда

Кос = К / (1+К) = 1 /  = - R₂ / R₁,

то есть определяется только параметрами цепи обратной связи.

Основные параметры ОУ:

• коэффициент передачи дифференциального сигнала

К = U_вых / U_д = 10³ ÷ 10⁶;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_ОСС = 20 lg К_СФ,

где К_СФ– коэффициент усиления синфазного сигнала

К_СФ = U_вых / U_СФ,

где U_СФ – синфазный сигнал

U_СФ = (U_и + U_н)/2.

Синфазный сигнал обычно является сигналом помехи и имеет большую амплитуду. Синфазный сигнал помехи ослабляется операционным усилителем, и величина ослабления равна от 80 до 100 децибел.

• дифференциальное входное сопротивление – это сопротивление между входами, величина его равна от 10 кОм до 100 МОМ;

• синфазное входное сопротивление – сопротивление между входом и землей, его величина выше, чем величина входного дифференциального сопротивления;

• напряжение смещения нуля – это такое напряжение, которое нужно подать на вход, чтобы выходной сигнал стал равным нулю. Обычно значение его равно 1 мВ. Напряжение смещения нуля учитывают, если входной сигнал такого же уровня.

2. Динамическая характеристика представлена на рис. 5.5.

Ч астота сопротивления (f_СОПР) – это такая частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в раз:

К (f_СОПР) = К(0) / = 0,707К(0)

Частота единичного усиления (f₁) – это частота, на которой коэффициент усиления равен 1:

f₁ = К(0) f_СОПР

Применение обратной связи приводит к снижению коэффициента передачи, но к увеличению полосы пропускания.