2.6 Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении состав­ляют основу современной электронной схемотехники и находят ши­рокое применение в электронных устройствах. Такие усилители (в иных схемотехнических вариантах) использовались для оперативно­го управления еще в аналоговых вычислительных машинах и аппа­ратуре электронной техники первого поколения. До появления ли­нейных интегральных схем к классу операционных усилителей отно­сили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной тех­нике для выполнения математических операций сложения, вычита­ния, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, ло­гарифмирования и т.д. Однако усилители постоянного тока на диск­ретных транзисторах имели многочисленные недостатки.

Появление серийных партий ОУ в виде интегральных микросхем позволило значительно усовершенствовать их технические и эксплу­атационные показатели. Все это существенно расширило универсаль­ность и функциональную ориентацию интегральных ОУ.

Основные свойства операционных усилителей. Универсальный ОУ яв­ляется усилителем постоянного тока с высоким коэффициентом усиле­ния (К = 10³... 10⁶), высоким входным сопротивлением (R_BX — ) и низ­ким выходным (R_вых 0). К основным свойствам идеального ОУ следу­ет также отнести широкую полосу частот, начиная с частоты f = 0, и постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот.

Операционный усилитель (рис. 2.23, а) обычно имеет дифферен­циальный вход (два входных зажима, на которые подаются напря­жения ( и U_вх2). Входное напряжение U_BX является разностью напряжений (U_вх1 и Причем каждое из входных напряжений U_вх1 и U_вх2 может быть положительным и отрицательным относительно потенциала общей (заземленной) точки двух источников питания и Е₂- Большинство стандартных интегральных ОУ имеет один вы­ход. Выходное напряжение U _вых находится в фазе с напряжением U_вх1 и противофазно напряжению U_вх2, оно пропорционально дифферен­циальному напряжению входа = U_вх1 – U_вх2.

Питание ОУ осуществляется от двух соединенных последователь­но источников с одинаковыми постоянными ЭДС Е\ и Е₂ или от од­ного источника со средней точкой, которая заземлена (рис. 2.23, я). При использовании делителей напряжения возможно питание ОУ от одного источника, однако это приводит к увеличению потребления энергии и снижению показателей работы ОУ.

Обратная связь (ОС), образованная между входом и выходом ОУ, позволяет получить многие положительные свойства передаточных характеристик между U_вых и U_вх. Пусть часть U_вых через резистор (или иной элемент) обратной связи R_oc, равная U_вых, поступает на вход ОУ. При этом — коэффициент передачи цепи ОС обычно мень­ше единицы ( < 1). Он может быть положительным (при положи­тельной ОС) и отрицательным (при отрицательной ОС).

При наличии ОС на вход ОУ поступает только часть напряжения, равная U_вх = U_вых,

тогда U_вых = К_у U_вх(1 + K_y), где К_у — коэффи­циент усиления ОУ при разомкнутой цепи ОС. В схеме с ОС коэффи­циент усиления К = U_вых/U_вх. Подставив в это выражение U_вых-, получим К =

Таким образом, коэффициент усиления ОУ с ОС К = Ку (1 + ). При разомкнутой ОС = 0) соотношение между К и будет К = .

Структурные схемы стандартных ОУприведены на рис. 2.23, б, в, где показаны схемы соответственно трех- и двухкаскадного ОУ, преставляющие собой интегральные усилители соответственно первого и второго поколений. Первый каскад трехкаскадного ОУ обычно вы­полняется по схеме простого дифференциального усилителя (ДУ), имеющего два входа и два выхода. Второй каскад — усилитель на­пряжения (УН), также выполнен по схеме дифференциального уси­лителя и обладает значительным коэффициентом усилителя. В УН осуществляется также сдвиг уровня усиливаемого напряжения с це­лью согласования выхода этого каскада со входом оконечного уси­лителя по постоянной составляющей тока. Выходной каскад являет­ся усилителем амплитуды (УА) сигнала и состоит из сочетания не­скольких каскадов, потребляющих основную часть энергии всего усилителя. Общий коэффициент усиления трехкаскадного ОУ может достигать 100 000 и более.

Изменение технологии изготовления интегральных структур по­зволило в ОУ второго поколения совместить функции первого и второго каскадов в одном каскаде усиления (ДУ). Промышленная реализация двухкаскадных ОУ (см. рис. 2.23, в) с удовлетворитель­ными параметрами и частотными свойствами позволила внедрить сложные дифференциальные каскады, обладающие повышенным коэффициентом усиления. При этом общее усиление двухкаскадных ОУ сохранилось на прежнем уровне.

Принципиальная схема интегрального двухкаскадного ОУ пред­ставлена на рис. 2.24. Дифференциальный входной каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2, эмиттерные цепи которых питаются от генератора тока на транзисторе VT7. При идентичности параметров входных транзисторов VT1 и VT2 обеспечивается высокая степень симметрии схемы по обоим входам. «Токовое зеркало» на транзис­торах VT11, VT7, VT6 используется в качестве источников тока для дифференциального (VT7) и выходного (VT6) каскадов. Известно, что при постоянном напряжении транзистор с заземленным эмит­тером имеет строго определенный коллекторный ток. Однако он мо­жет сильно меняться при колебании температуры окружающей сре­ды. Для компенсации температурных отклонений коллекторного тока параллельно переходу база-эмиттер включается прямосмещенный диод или транзистор в диодном включении (коллектор VT11 объединен с базой). Если транзисторы VT11, VT7, VT6 строго идентичны, то про­исходит не только точная компенсация температурных изменений, но и точное задание коллекторных токов VT7 и VT6. Если создать ток смещения в цепи транзистора VT11, то в коллекторах транзисто­ров VT7 и VT6 будут такие же токи I_к7 = I_к6 =I_см (происходит как бы зеркальное отражение тока в коллекторных токах транзисторов).

Для повышения точности отображения и стабильности в цепи эмиттеров транзисторов иногда дополнительно включают резисто­ры. Активная нагрузка дифференциального каскада, выполненная на «токовом зеркале» VT12 и VT3, позволяет, с одной стороны, обес­печить в транзисторах VT1 и VT2 постоянные токи, с другой — боль­шее усиление по напряжению выходного каскада ОУ, так как тран­зистор VT3 имеет значительное входное сопротивление для перемен­ной составляющей сигнала.

Промежуточный усилитель выполнен на составном транзисторе VT4 и VT5. Если на входах ОУ появится дифференциальный сигнал, при котором, например, уменьшится на М_к ток транзистора VT1 и на столько же увеличится ток транзистора VT2, то на _к уменьша­ется также ток в транзисторе диодного включения VT12, в транзис­торе источника тока VT3 и, следовательно, в нагрузке (цепь базы VT4) ток увеличивается на 2 _К.

Выходной каскад выполнен двухтактным на транзисторах разной проводимости VT8 и VT9. Потенциалы баз одинаково смещенных транзисторов VT8 и VT9 должны различаться на 2U_бэ -1,3 ... 1,4 В, это и обеспечивают диоды VD1 и VD2, включенные между базами транзисторов VT8 и VT9. Для увеличения коэффициента усиления по току выходной транзистор ОУ выполнен составным (VT9 и VT10).

Рассмотренный ОУ может работать с очень низким напряжением питания (3 В) и обеспечивает при этом усиление примерно в 10⁴ по напряжению.

Многие ОУ имеют существенно более сложные схемы, однако общие принципы построения их сходны с рассмотренным выше.

Рассмотрим некоторые часто встречающиеся на практике схемы, в которых применяются операционные усилители. На рис. 2.25 приве­дены схемы усиления сигналов на основе ОУ. Инвертирующий усили­тель (рис. 2.25, а) имеет выходное напряжение, сдвинутое по фазе от­носительно входного на 180°. Коэффициент усиления такой схемы ус­ловно считается отрицательным. Введение отрицательной обратной связи (резистор R_Q) позволяет повысить стабильность коэффициента усиления схемы или расширить ее частотный диапазон. Если коэффи­циент усиления ОУ имеет конечное значение , то коэффициент усиления схемы (рис. 2.25, а)

К = = При , и получим К= , тогда =-К =-

Отношение — называется масштабным коэффициентом. Если

соотношение между U_вых и U_BX записать в виде U_вых= -R_Q то

получим U_вых = -R₀ I_вх. Это выражение справедливо при активных, реактивных и комплексных сопротивлениях во входной цепи и цепи обратной связи.

Коэффициент обратной связи неинвертирующего усилителя

(рис. 2.25, б) = , а коэффициент усиления схемы К = 1 + , т.е.

на единицу больше, чем в схеме инвертирующего усилителя (рис. 2.25, а). Чтобы выровнять усиление по прямому и инверсному входам, напри­мер, в схеме не инвертирующего усилителя с делителем напряжения на прямом входе (вычитающего усилителя) (рис. 2.25, в), необходимо в цепь прямого входа включить делитель напряжения (резисторы R2 и R3),

который уменьшит усиление по прямому входу в раз.

В простейшем случае для схемы на рис. 2.25, в имеем R₂ = и Если в схеме на рис. 2.25, б принять = ∞ , то К= 1, т.е. получит­ся схема повторителя уровня напряжения (рис. 2.25, г).

Выполнение математических операций аналоговым способом осу­ществляется с помощью ОУ. Схема рис. 2.26, а представляет собой суммирующий усилитель. Выходное напряжение равно сумме вход­ных напряжений, каждое из которых умножено на свой масштабный коэффициент:

= -

При = R₂ = R₃ = R и = К получим: ,

т.е. выходное напряжение пропорционально сумме входных.

По схеме на рис. 2.26, б выполняется операция интегрирования. Выходное напряжение определяется из выражения

dt+ C (2.2)

^v

По схеме на рис. 2.26, в выполняется операция дифференцирова­ния входного напряжения. Выходное напряжение определяется из выражения

= -RC ₍2.з)

На основе ОУ осуществляются и другие математические опера­ции, например, возведение в квадрат и т.д.