2.15. Аналоговые микросхемы, используемые для построения функциональных элементов ио

Функциональные элементы, применяемые в преобразующей, сравнивающей и исполнительных частях ИО, выполняются на аналоговых ИМС. В качестве такой микросхемы служат интегральные операционные усилители (ИОУ), являющиеся основным видом аналоговых микросхем, применяемых для преобразования непрерывных сигналов. Они выполняются в виде многокаскадных транзисторных усилителей постоянного тока с непосредственными (гальваническими) связями. От остальных усилителей этого типа ОУ отличаются высокой точностью преобразования входных сигналов и универсальностью применения. В релейной защите ОУ получили широкое распространение в качестве базовых элементов для построения измерительных органов РЗ [34-36, 46-49].

О перационные усилители должны иметь возможно больший коэффициент усиления по напряжению К_У = U_ВЫХ/U_BХ, очень большое сопротивление R_ВХ и малое выходное R_ВЫХ, низкий уровень внутренних помех¹ и широкую частотную полосу пропускания входных сигналов Δf, начиная с f = 0. Идеальным считается ОУ, обладающий К_У = , R_ВХ = , R_ВЫХ = О, не имеющий погрешности преобразования, с полосой пропускания частот Δf от 0 до . В отечественной практике применяются ОУ, имеющие К_У = 5 • 10⁴, R_ВХ ≈ 300 кОм, R_ВЫХ = 50 Ом, частотный диапазон от 0 до 10³ Гц, напряжение смещения нуля U_CM не больше 5-10 мВ.

Структурная схема ОУ, состоящего из трех каскадов, показана на рис.2.42, а. Входной каскад А1 выполняется по схеме дифференциального усилительного каскада, важным свойством которого является хорошая отстройка от внешних и внутренних помех. Это свойство дифференциального каскада (ДК) поясняет его упрощенная схема, приведенная на рис.2.42, б. Каскад построен по балансово-параллельной (мостовой) схеме и состоит из двух симметричных параллельных ветвей. Образующие их транзисторы VT1, VT2 и резисторы R1, R2 должны иметь идентичные параметры. Входные напряжения

U_BX1 и U_ВХ2 преобразуются транзисторами VT1 и VT2 в выходные напряжения U_ВЫХ1 = K_УU_ВХ1 и U_ВЫХ2 – K_УU_ВХ2.

¹ Под внутренней помехой подразумевается самопроизвольное появление выходного сигнала U_ВЫХ.П при U_BX = 0. Наличие такого сигнала искажает рабочий сигнал.

Применение дифференциальной схемы во входном каскаде обеспечивает основные качества ОУ — точность, стабильность выходных сигналов, повышает значение входного сопротивления и благодаря наличию двух дифференциальных входов расширяет функциональные возможности ОУ.

Однако при простой схеме ДК получить К_У необходимого уровня не удается. Дополнительное усиление входных напряжений обеспечивается вторым каскадом А2. Этот каскад обычно выполняется также по схеме с ДК с двумя входами, но с одним выходом, поскольку третий каскад A3 имеет один вход.

Выходной каскад A3 предназначен для усиления мощности выходного сигнала и согласования выхода ОУ с нагрузкой, что получается за счет малого значения его R_ВЫХ. Этот каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя [13], его выход 3 (рис.2.42, а) является выходом ОУ, к которому подключается нагрузка. Имеются двухкаскадные ОУ, в которых применяются усовершенствованные схемы входного и выходного каскадов, при которых промежуточный каскад не нужен.

Конструктивно ОУ изготавливается в виде полупроводниковой монолитной ИМС. Схема ОУ содержит 30 элементов и более.

На ОУ через зажимы 4 и 5 подается питание от двух источников постоянного тока +Е_П и –Е_П (обычно ± 15) с общей нулевой шинкой, которая может заземляться, на схемах она показывается короткой жирной чертой (рис.2.43, а). Операционный усилитель имеет два входа 1 и 2, являющихся входами дифференциального каскада, и осуществляет усиление напряжения, приложенного между ними. Это напряжение обычно называется дифференциальным входным сигналом U_ВХ.Д, поскольку оно равно разности потенциалов входов 1 и 2:

(2.25)

Знак выходного напряжения определяется знаком разности U_ВХ1 – U_BX2. В релейных схемах ОУ часто используется и как усилитель одного входного напряжения, подаваемого на вход 1 или 2. При этом на второй вход подается нулевой сигнал, для чего он соединяется с нулевой шинкой. При подаче на вход 2 напряжения + U_BX2, а на вход 1 нулевого сигнала дифференциальный входной сигнал U_ВХ.Д = 0 – U_BX2. В этом случае

(2.26)

З нак минус означает, что при подаче напряжения на вход 1 выходной сигнал имеет полярность, противоположную полярности входного напряжения. Поэтому вход 1 получил название инвертирующего входа (сокращенно И-вход), на релейных схемах обычно обозначается буквой И, на условном изображении ОУ И-вход обозначается знаком "–" или кружком (рис.2.43, б, в).

Второй вход (2 на рис.2.43) называется неинвертирующим (Н-вход). При подаче на него напряжения +U_BX1 и соединении входа 2 с нулевой шинкой на выходе ОУ появляется сигнал U_BЫX = К_У(U_BX1 – 0) = К_УU_BX1, с тем же знаком, что и у U_BX1. Поступающий на вход 2 сигнал обозначается индексом "Н" (U_вхН). На условном изображении ОУ (рис.2.43, а) неинвертирующий вход обозначается " + ".

Передаточная характеристика ОУ, определяющая зависимость U_BЫX от значений дифференциального входного сигнала, изображена на рис.2.44 (кривая 1). Как и у любого транзисторного усилителя, характеристика ОУ имеет линейную и насыщенную (нелинейную) части.

В линейной части характеристики ОУ работает как аналоговый элемент, преобразующий непрерывный входной сигнал U_BX.Д в непрерывный выходной U_BЫX = К_УU_BX.Д – Наклон линейной части определяется значением К_У. В области насыщения (за точками A₁ и А₂) ОУ может работать в режиме переключателя (электронного ключа) при дискретном изменении входного сигнала (например, с + U^'_BX.Д на –U^'_BX.Д), при этом U_BЫX изменяется скачком от начального + U_BЫXmax до – U_BЫXmax. Значение + U_BЫXmax ограничивается значением напряжения источника питания и должно быть меньше последнего на 2-3 В.

Характеристика 1 показана проходящей через начало координат, что возможно только при отсутствии погрешности, обусловленной разбалансом входного каскада. При наличии погрешностей действительная характеристика будет сдвинута относительно начала координат на величину U_СД0 и будет изображаться кривой 2 или 3 (рис.2.44).

О перационные усилители в большинстве случаев их применения дополняются внешними обратными связями (ОС) (рис.2.45), что позволяет выполнять ряд различных по своим функциям элементов путем выбора способа включения и параметров ОС. С помощью ОС выходной сигнал (напряжение или ток) воздействует на вход ОУ, усиливая или ослабляя значение входного сигнала U_BX. Обратная связь, уменьшающая входной сигнал, называется отрицательной, а увеличивающая его – положительной. Обратная связь выполняется на пассивных элементах: резисторах либо конденсаторах (R или С). Отрицательная ОС снижает уровень помех, увеличивает линейность характеристики, повышает ее стабильность, уменьшает коэффициент усиления, расширяет линейный участок проходной характеристики ОУ, позволяет менять параметры для получения нужных функциональных элементов. В релейных схемах используется главным образом отрицательная ОС по напряжению, включаемая параллельно входу и выходу ОУ (рис.2.45, а).

Рассмотрим две простейшие типовые схемы ОУ (инвертирующего и неинвертирующего), на базе которых выполняются схемы более сложных функциональных элементов. Будем считать, что ОУ обладает идеальными параметрами, что позволяет сделать два допущения:

1) при работе ОУ в линейном режиме U_ВЫХ = K_УU_ВХ, отсюда U_ВХ = U_ВЫХ/K_У, а так как у идеального ОУ К_У = , то, следовательно, U_ВХ =U_Н – U_И = 0;

2) поскольку у идеального ОУ R_ВХ = , то при любом значении входного напряжения U_ВХ входной ток ОУ I_ВХ = U_ВХ/R_ВХ = 0.

Сопоставление выходных напряжений, рассчитанных с указанными допущениями, с точными расчетами показывает, что погрешность расчета очень мала (примерно 0,6%) и находится в допустимых пределах [34].