Защита операционных усилителей.

В спецификациях на ОУ изготовители указывают предельно допустимые величины напряжений на выводах ИМС, а также токов через эти выводы и значения максимальной рассеиваемой мощности. Эти параметры обычно входят в группу эксплуатационных. ОУ необходимо защищать от многих видов перегрузок: короткого замыкания выхода, повышенных синфазного и дифференциального входных напряжений, от защелкивания (перехода в триггерный режим), от электростатического воздействия и др. Классический А709 не имел никаких внутренних цепей защиты и выходил из строя при каждом удобном случае. Выпускаемые сегодня модели ОУ имеют внутренние цепи защиты, что сильно облегчает жизнь разработчиков и оберегает их от нервных стрессов. Однако защитные цепи, повышая безопасность, зачастую снижают некоторые важные характеристики ОУ, такие, как быстродействие, диапазон дифференциальных входных сигналов, размах выходного напряжения. Поэтому часть моделей усилителей может не иметь внутренней защиты от тех или иных неблагоприятных факторов, и в этих случаях разработчику необходимо самому принимать соответствующие меры.

Защита от чрезмерного дифференциального напряжения на входе.

Чаще всего обеспечивается встречно параллельным включением диодов между входами ОУ (а). При значениях дифференциального напряжения, соответствующих линейному режиму работы усилителя (обычно это доли милливольт), сопротивление диодов, даже прямое, составляет несколько МОм. Потому диоды практически не проводят ток и не влияют на режимы цепи с ОУ. Однако большие входные сигналы переводят диоды в проводящее состояние. При этом дифференциальные напряжения будут ограничены на уровне нескольких сотен милливольт (прямое падение напряжения на р-n-переходе). В некоторых ОУ эти диоды встраиваются прямо на кристалл, например, 140 УД14 или ОР291, причем последний содержит также входные резисторы по 5 кОм, так как на максимально допустимые токи через встроенные диоды накладываются очевидные ограничения. Продается недорогая диодная сборка BAV99, оптимизированная для целей защиты. Она состоит из двух диодов, включенных последовательно, с выводом от средней точки. Ее можно применять в схемах, представленных на рисунке.

Схемы защиты ОУ:

а — схема диодной сборки BAV99, б — защита от КЗ на выходе, в — защита от синфазного перенапряжения, г — защита от перенапряжения питания, д — защита от перенапряжения на выходе

Защита от короткого замыкания на выходе.

Многие ОУ имеют встроенную защиту от короткого замыкания, допускающую работу усилителя в этом режиме неограниченное время. Многие, но не все. Так, например, прекрасный во многих отношениях ОР162 для достижения широкой полосы единичного усиления (она у него составляет 15 МГц) не имеет такой защиты. В приложениях, где эта защита необходима, можно включить последовательно с выходом ОУ резистор (б). Резистор обязательно должен быть включен в контур обратной связи, тогда динамическое выходное сопротивление усилителя останется достаточно низким. Сопротивление резистора должно быть по возможности минимальным. Так, для того же ОР162, максимально допустимый ток которого составляет 30 мА, при однополярном питании 5 В изготовитель рекомендует применить резистор сопротивлением 169 Ом.

Подключение последовательного резистора к выходу ОУ сужает диапазон выходных напряжений усилителя при его работе под нагрузкой

Защита от синфазного перенапряжения.

Схема неинвертирующего усилителя с защитой приведена на рисунке (в). Если входное напряжение выходит за границы питающих напряжений, то один из диодов открывается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ фиксируется на уровне соответствующего напряжения питания. Здесь только надо иметь в виду, что при этом входной ток начинает течь в источник питания. Если источник входного сигнала — мощный, то может случиться, что входной ток окажется больше, чем ток всех потребителей данного источника питания. Если к тому же источником питания является последовательный стабилизатор напряжения, то его регулирующий транзистор перейдет в режим насыщения, и начнется неконтролируемый подъем напряжения на нагрузке, что может вывести ее из строя. Поэтому следует позаботиться об ограничении этого напряжения, например, включив в цепь питания стабилитрон (г).

Защита от перенапряжения на выходе.

Если нагрузка ОУ имеет индуктивный характер, то при больших скоростях нарастания выходного тока усилителя возможны перенапряжения на выходе. В этом случае выход ОУ соединяют через диоды с выводами питания (д).

Повышение выходного тока ОУ.

Максимальный выходной ток ОУ общего применения обычно находится в пределах 5...20 мА. Иногда этого может оказаться недостаточно. В то же время мощные ОУ сравнительно дороги. Альтернативой их применению в некоторых случаях может быть усиление выходного тока маломощных ОУ. Можно легко увеличить выходной ток ОУ примерно в 100 раз. Для этого достаточно использовать двухтактные эмиттерные повторители на комплементарных транзисторах в режиме класса В. Однако из-за низкого быстродействия операционных усилителей общего назначения даже при наличии обратной связи возникают ощутимые переходные искажения. Их можно ослабить, введя в схему резистор R₁.

Увеличение выходного тока ОУ с помощью эмиттерного повторителя на комплементарных транзисторах

Схема, в которой внешние умощняющие транзисторы образуют с транзисторами выходного каскада ОУ комплементарные схемы Дарлингтона

При малых выходных токах, допустимых для данного ОУ, транзисторы закрыты и нагрузка питается только от усилителя. При увеличении выходного тока напряжение база—эмиттер соответствующего транзистора также увеличивается, транзистор открывается и начинает отдавать ток в нагрузку. В этом режиме транзистор внешнего эмиттерного повторителя образует с транзистором выходного каскада ОУ того же типа проводимости известную схему Дарлингтона. Например, при использовании в этой схеме низкочастотного ОУ 140УД7 и резистора R₁ = 68 Ом можно получить при нагрузке 5 Ом выходную мощность в полосе частот 1 кГц.