3.3.Другие классификации

По входным сигналам:

• Обычный двухвходовый ОУ;

• ОУ с тремя входами : третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

• Обычный ОУ с одним выходом;

• ОУ с дифференциальным выходом^[9]

4.Схемы и теория исследовательской части

4.1.Операционный усилитель как объект исследования

По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназна­чен для усиления напряжения или мощно­сти входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно пара­метрами цепи обратной связи. Опера­ционные усилители выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смеще­ния нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффи­циентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Ра­нее подобные высококачественные усилите­ли использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических опера­ций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название - опера­ционные усилители.

В настоящее время операционные уси­лители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не от­личаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на от­дельных транзисторах. Поэтому опера­ционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях линейной схемотехники.

Чтобы определить, какой тип опера­ционного усилителя подходит для конкрет­ного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры. Здесь рассматриваются основные пара­метры операционных усилителей, и прежде всего те, которые используются для описа­ния реально выпускаемых элементов, приводятся основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных свя­зей. Исследуются также границы примени­мости идеализированных характеристик операционных усилителей^[2].

4.2.Характеристики операционного усилителя и теория для их получения

Н а рис. 6.1 дано схемное обозначение . операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциально­го усилителя, так что операционный усили­тель имеет два входа. В области низких частот выходное напряжение И. находятся

Рис. 6.1. Схемное обозначение операционного усилителя.

в той же фазе, что и разность входных напряжений:

Р-вход называется не инвертирующим и на схеме операционного усилителя обозна­чается знаком «плюс». Ра-вход называется инвертирующим и обозначается на схеме знаком «минус».

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положи­тельными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использо­вать двуполярное питающее на напряжение. для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, ко­торые, как это показано на рис. 6.1, под­ключаются к соответствующим внешним клеммам операционного усилителя. Как правило, стандартные операционные уси­лители в интегральном исполнении рабо­тают с напряжениями питания 15 В. На принципиальных схемах устройств обычно изображают только их входные и Вы­ходные клеммы.

В действительности, разумеется, не существует идеальных операционных усилителей. для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей.

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя

(6.1)

имеет конечную величину, которая лежит пределах от 10⁴ до 10⁵. Он называется также собственным коэффициентом усиле­ния операционного усилителя, т. е. усиле­ния при отсутствии обратной связи.

На рис. 6.2 показана типовая зависи­мость выходного напряжения усилителя от U_D. В диапазоне U_{а мин} < U_а < U_{а макс} оно зависит от U_D почти линейно. Этот диапа­зон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения U_D c ростом соответствующего увеличения U_а не происходит. Границы области усиле­ния U_{а мин} И U_{а макс} отстоят приблизительно на З В от соответствующих положительно­го и отрицательного напряжений питания. При работе операционного усилителя с на­пряжением питания 15 В типовой диапа­зон области усиления по выходному на­пряжению составляет 12 В.

Передаточная характеристика идеаль­ного операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 6.2, штриховой ли­нией, для реальных операционных усилите­лей эта характеристика несколько сдвину­та. Таким образом, для того чтобы сде­лать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторую разность напряже­ний. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля Uo. Оно со­ставляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не принимать­ся во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведе­на к нулю

Рис. 6.2. Выходное напряжение операционного усилителя как функция разности ВХОДНЫХ напря­жений. Пунктиром показана характеристика. снятая без компенсации напряжения смещения нулевой точки.

Поэтому во многих интегральных опе­рационных усилителях предусмотрены спе­циальные клеммы.

П осле устранения напряжения смеще­ния нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от времени, температуры и напряжения питания:

В этой формуле различают следующие со­ставляющие дрейфа:

—температурный дрейф, обычно от З до 10 мкВ/К ;

—временной дрейф, который может достигать нескольких микровольт за месяц;

—дрейф, обусловленный изменением суммарного напряжения питания.

Составляющая характеризуется влиянием отклонения напряжения питания от номинального значения на величину смещения нулевой точки и составляет обы­чно 10-100 мкВ/В. Поэтому если требуется минимизировать эту составляющую дрей­фа, необходимо обеспечить напряжение пи­тания с точностью до нескольких милли­вольт.

В дальнейшем изложении будет предпо­лагаться, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и равно нулю. Тогда из формулы (6.1) следует

(6.2)

Таким образом, в пределах динамического диапазона выходное напряжение опера­ционного усилителя пропорционально разности входных напряжений.

Е сли на Р- и N-входы подать одно и то же напряжение (..I,, то (Т не изменит нуле­вого значения. В соответствии с выраже­нием (6.2) выходное напряжение U_a также должно остаться равным нулю. Однако, как уже показано в разд. 4.7.1, для ре­альных дифференциальных усилителей это е вполне соответствует действительности, те. коэффициент усиления синфазного сигнала не строго равен нулю. Как видно из рис с 6.3. при некоторых достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Используемый диапазон выходного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала.

Как правило, ее границы (по модулю) на 2 В ниже соответственно положительно­го и отрицательного уровней напряжения питания. Неидеальность операционного усилителя характеризуется параметром называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала G= A_D/A_Gl. Его ти­повые значения составляют 10⁴ - 10⁵. Коэффициент усиления дифференциально­го сигнала по определению всегда положи­телен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала A_Gl. Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения. справочных таблицах обычно приводят­ся абсолютные значения величины G.

В формулах же величина G используется с учетом ее фактического знака. Разумеет­ся, если разработчика интересует только отличие данного усилителя от идеального, которое характеризуется определенным значением величины G, то ее знак не играет никакой роли.

При использовании понятия коэффи­циента усиления синфазного сигнала тре­буется более точно определить коэффи­циент усиления дифференциального сигнала A_D через частную производную:

П ри этом для выходного напряжения по­лучается выражение более общего вида:

(6.3)

или

Из этих соотношений вытекает другое удобное определение коэффициента осла­бления синфазного сигнала. При ∆U_a= 0.

К оэффициент ослабления синфазного сиг­нала показывает, какое значение дифферен­циального входного напряжения ∆U_D сле­дует приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала на выходе усилителя.

Так как передаточные характеристики, изображенные на рис. 6.2 и 6.3, в рабочей области практически линейны, формулу

Р ис. 6.3. Выходное напряжение опера­ционного усилителя как функция синфаз­ного входного сигнала.

( 6.3) с учетом напряжения смещения можно записать как или

(6.4)

При U_o → 0 и U_Gl 0 это соотношение принимает вид формулы (6.1). Решение у равнения (6.4) относительно U_D дает

( 6.5)

Для идеального операционного усилителя U_o = 0, А_D → 0 и G → 0. Это оз­начает, что теоретически, для того чтобы получить любое конечное значение выход­ного напряжения U_a, необходимо прило­жить бесконечно малое напряжение U_D.

Как будет видно из следующей главы, операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из со­ображений устойчивости должен иметь та­кую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно выполнять­ся по меньшей мере вплоть до частоты, при которой | А_D I = 1. Для выполнения этого требования схема операционного усилителя должна содержать фильтр ниж­них частот с очень низкой частотой среза. На рис. 6.4 представлена типичная частот­ная характеристика дифференциального коэффициента усиления такого “частотно-скорректированного” операционного усилителя.

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такогоусилителя выражается следующей формулой:

( 6.6)

З десь А—предельное значение А л на ниж­них частотах. Выше частоты f_gA соответствующей границе полосы пропускания на уровне З дБ, модуль коэффициента усиления А_D обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

(6.7) На частоте f_T модуль дифференциального коэффициента усиления 1 А _о I = 1. Как следует из выражения (6.7), частота ]. равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы.

Входное сопротивление

Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопро­тивления. Различают входное сопротивле­ние для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схе­мой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рис. 6.5. у операционных усилителей с би­полярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала r_D составляет несколько мегом, а входное сопротивление для син­фазного сигнала r_Gl несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопро­тивлениями, имеют величину порядка не­скольких наноампер.

Рис. 6.4. Типовая частотная ха­рактеристика дифференциально­го коэффициента усиления операционного усилителя.

Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя.

Входной ток при отсутствии сигнала

определяется по формуле

а входной ток смещения как

Рис. 6.5. Схема замещения для дифференциального и синфазного входных сопротивлений и начального входного тока операционного усилителя.

Для стандартных биполярных опера­ционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входны­ми каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколь­ко наноампер^[2,11].