Занятие 5 операционные усилители

Дифференциальное включение.

На рисунке приведена схема дифференциального включения ОУ.

Н айдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие 1-го (а) свойства идеального ОУ разность потенциалов между его входами р и п равна нулю. Соотношение между входным напряжением V₁ и напряжением V_p между неинвертирующим входом и общей шиной с учетом 3-го (в) свойства идеального ОУ определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R₃ и R₄

Инвертирующее включение.

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной. В типовой схеме R₃ = , a R₄ = 0 и

Инвертирующее включение ОУ:

а — типовое, б — с Т-образным включением резисторов обратной связи

Неинвертирующее включение.

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинверти­рующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя.

Упрощенный анализ схемы с операционным усилителем, работающим в линейном режиме, существенно облегчают две предпосылки: а) разность потенциалов между входами равна нулю, б) входные токи усилителя равны нулю.

Схема масштабирования.

Для пропорционального изменения сигнала, или масштабирования (умножения на постоянный коэффициент) могут быть применены ОУ как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении.

Инвертирующее включение предпочтительнее по следующим причинам:

• простая реализация коэффициентов передачи как больше, так и меньше единицы;

• отсутствует синфазный сигнал;

• легко обеспечить защиту входов ОУ от перегрузки;

• операция масштабирования может быть совмещена с операцией суммирования.

Для облегчения построения масштабирующих усилителей фирма National Semiconductor выпускает микросхемы ОУ в инвертирующем включении LMV101/02/05/10/11, имеющие коэффициенты передачи —1, —2, —5 и —10, с встроенными резисторами обратных связей на кристалле. Кроме того, они имеют вывод от инвертирующего входа ОУ, что дает возможность внешними резисторами установить любой коэффициент усиления, обеспечить суммирование нескольких входных сигналов и др. Схема этих ИМС приведена на рисунке.

Схема ИМС LMV101/02/05/10/11

Аналогичные изделия выпускает фирма Maxim. Это комплектные масштабирующие усилители: микромощные «тихоходные» (f_Т = 200 кГц) одиночный/сдвоенный МАХ4074/75 и более скоростные, с частотой единичного усиления 17 МГц, МАХ4174/4274. Все они в зависимости от сопротивления резистора, подключенного к инвертирующему входу, обеспечивают коэффициент передачи 1,25...101 в неинвертирующем и —0,25...—100 в инвертирующем включениях.

Сравнение масштабирующих усилителей:

Инвертирующий

• выходной сигнал в противофазе относительно входного;

• отсутствует синфазный сигнал;

• низкое входное сопротивление;

• коэффициент передачи может быть как больше, так и меньше единицы;

• масштабирование может быть совмещено с суммированием.

Неинвертирующий

• выходной сигнал в фазе со входным;

• есть синфазный сигнал;

• высокое входное сопротивление;

• коэффициент передачи не меньше единицы.

Схема суммирования.

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя.

Схема инвертирующего сумматора

Поскольку эта точка является виртуальным нулем, то на основании 1-го закона Кирхгофа и свойства в) идеального ОУ получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:

Следует иметь в виду, что в многовходовых сумматорах имеет место сужение полосы пропускания схемы в связи с уменьшением петлевого усиления за счет параллельного включения входных сопротивлений каналов. При этом коэффициенты масштабирования (передачи) по всем входам задаются независимо друг от друга. Так, в случае равномасштабного суммирования n входных сигналов в схеме сумматора на полностью скорректированном ОУ полоса пропускания сузится в п раз по сравнению с обычным одновходовым инвертором с тем же коэффициентом передачи (масштабирования).

Схема интегрирования.

Важное место в аналоговой вычислительной технике имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ.

Постоянный член v_OUT(0) определяет начальное условие интегрирования. С помощью схемы включения, показанной на рисунке, можно реализовать необходимые начальные условия.

Варианты схем инвертирующего интегратора:

а — на ОУ с полной частотной коррекцией, б — на ОУ без внутренней частотной коррекции

Интегратор с цепью задания начальных условий

К огда ключ S₁ замкнут, а S₂ разомкнут, эта схема работает так же, как цепь, изображенная на рисунке (а). Если же ключ S₁ разомкнуть, то зарядный ток при идеальном ОУ будет равен нулю, а выходное напряжение сохранит значение, соответствующее моменту выключения. Для задания начальных условий следует при разомкнутом ключе S₁ замкнуть ключ S₂. В этом режиме схема моделирует инерционное звено первого порядка и после окончания переходного процес-

Для высоких частот и его фазовый сдвиг будет нулевым. В этой частотной области к схеме предъявляются те же требования, что и к усилителю с единичной обратной связью. Поэтому здесь также следует ввести коррекцию частотной характеристики. Чаще для построения интегратора используют усилитель с внутренней коррекцией. Типичная ЛАЧХ схемы интегрирования на ОУ приведена на следующем рисунке.

Частотная характеристика интегратора

Постоянная интегрирования  = RC принята равной 100 мкс. Из ЛАЧХ видно, что при этом максимальное петлевое усиление по контуру обратной связи составит | | = | |  600, т. е. будет обеспечена погрешность интегрирования менее 0.2%, причем в отличие от инвертирующего усилителя эта точность снижается не только на высоких, но и на низких частотах.

Д ля повышения точности интегрирования в области низких частот следует выбирать ОУ с большим дифференциальным коэффициентом усиления по напряжению К_V. Действительно,

В заключение отметим, что к операционным усилителям, работающим в схемах интеграторов, предъявляются особенно высокие требования не только в отношении дифференциального коэффициента усиления по напряжению К_V, но и входного тока, а также напряжения смещения нуля. Большие входной ток и смещение нуля могут вызвать существенный дрейф выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе.

Схема дифференцирования.

Поменяв местами резистор и конденсатор в схеме интегратора, получим дифференциатор.

Применение первого закона Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ в этом случае дает следующее соотношение:

Схема дифференциатора

и ли

пропорционален частоте.

Практическая реализация дифференцирующей схемы, показанной на рисунке сопряжена со значительными трудностями по следующим причинам:

• схема имеет чисто емкостное входное сопротивление, поскольку один из выводов входного конденсатора привязан к виртуальной земле. В случае, если источником входного сигнала является другой операционный усилитель, это может вызвать его неустойчивость;

• дифференцирование в области высоких частот приводит к значительному усилению высокочастотных составляющих, что, как правило, ухудшает отношение сигнал/шум;

• в этой схеме в петле обратной связи ОУ оказывается включенным инерционное звено первого порядка, создающее в области высоких частот запаздывание по фазе до 90°:

оно суммируется с фазовым запаздыванием операционного усилителя, которое может составлять или даже превышать 90°, в результате чего схема становится неустойчивой.

ЛАЧХ схемы дифференцирования на ОУ

Устранить эти недостатки позволяет включение последовательно с конденсатором дополнительного резистора R₁ (на рисунке показан пунктиром). Следует отметить, что введение такой коррекции практически не уменьшает диапазона рабочих частот схемы дифференцирования, т. к. на высоких частотах из-за снижения коэффициента усиления ОУ она все равно работает неудовлетворительно. Величину R₁C (и, следовательно, полюс передаточной функции RC-цепи) целесообразно выбирать так, чтобы на частоте f₁ усиление петли обратной связи было бы единичным (т. е. |К_V|. = |1/|).

Измерительные усилители.

Во многих измерительных схемах необходимо измерять разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, каждая из которых имеет ненулевой потенциал относительно общей точки измерительной схемы. Для этой цели используются измерительные усилители (в переводной литературе часто называемые инструментальными), которые представляют собой устройства с дифференциальным входом, построенные так, что они усиливают только разность напряжений, поданных на их входы, и не реагируют на синфазное напряжение. Типичные примеры применения измерительных усилителей (ИУ) приведены на рисунке.

Типичные примеры применения измерительных усилителей:

а—с мостовым датчиком, б—с резистивным шунтом

Схема а) обычна для тензометрии, измерения давления и др. В одно или два плеча мостовой схемы включены тензорезисторы. Синфазное напряжение на входах дифференциального усилителя (ДУ) составляет в этой схеме обычно 1.5... 2.5 В, причем, хотя это напряжение, как правило, стабилизируется, все же возможны его изменения в пределах порядка 10 мВ. В то же время часто требуется обеспечить чувствительность к небалансу моста на уровне 1 мкВ.

Эта задача требует, чтобы дифференциальный усилитель имел КОСС более 80 дБ. Схема б) применяется при измерении тока в проводе, потенциал которого может многократно превосходить напряжение питания усилителя. Это также требует большого КОСС, а также высоких допустимых значений синфазного напряжения.

Измерительный усилитель на одном ОУ

В простейшем случае в качестве измерительного усилителя может быть использован ОУ в дифференциальном включении.

Схема простейшего измерительного усилителя (дифференциальный усилитель)

В фирменной документации подобные схемы так и называются — дифференциальные усилители (ДУ). При выполнении условия усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала и коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) будет максимальным.

Дифференциальный коэффициент усиления при выполнении указанного выше условия

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогласованием резисторов, равен

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конечным значением КОСС операционного усилителя, равен

Здесь КОСС выражается отношением, а не в децибелах. Коэффициент ослабления синфазного сигнала всей схемы:

Дифференциальное входное сопротивление:

Поскольку К_СФ1 может принимать отрицательные значения и зависит от сопротивлений резисторов схемы, подстройкой резистора R₃ может быть достигнуто любое сколь угодно большое значение K_ОСС в соответствии с предпоследним выражением.

Эта простейшая схема имеет низкое входное сопротивление. Поэтому выходное сопротивление источника сигнала влияет на величину дифференциального коэффициента усиления и на коэффициент ослабления синфазного сигнала, что почти всегда требует точной настройки параметров схемы. Для изменения коэффициента усиления нужно одновременно менять сопротивления двух резисторов. Тем не менее эта простая схема выпускается многими фирмами в виде ИМС. Например, схема ДУ — INA133 и INA143. На кристалле наряду с ОУ имеются 4 согласованных резистора, первые выводы которых соединены попарно с входами ОУ, а другие соединены с выводами ИМС, причем у INA133 резисторы имеют одинаковое сопротивление, а у INA143 R₁ и R₃ меньше, чем R₂ и R₄ в 10 раз (см. предыдущий рисунок). Поэтому коэффициент передачи дифференциального сигнала у INA133 единица, а у INA143 в зависимости от схемы подключения резисторов может принимать значения 0.1 или 10. КОСС у INA133 составляет 80 дБ, а у INA143 - 86 дБ.

На следующем рисунке представлены упрощенные схемы промышленных интегральных ДУ, рассчитанных на работу при больших синфазных напряжениях.

Схемы промышленных ИМС дифференциальных усилителей:

а—с. одним резистором в цепи обратной связи, б — с Т-образным делителем в цепи обратной связи

На а) приведена схема, по которой выполнен ДУ INA117 и его модификация AD629 (Analog Devices). Здесь цепь обратной связи замыкается одним резистором R₂, а для получения большого диапазона синфазных напряжений использован резистивный делитель напряжения 20:1 для того, чтобы привести входной сигнал ±200 В к допустимому для ОУ диапазону ±10 В. Связь между величинами сигналов этой схемы устанавливается уравнением

При номиналах резисторов, указанных на схеме, дифференциальный коэффициент усиления составляет 1. Рабочий диапазон синфазных напряжений для INA117 составляет ±200 В, а для AD629 составляет ±270 В, причем последний имеет встроенную защиту от синфазного и дифференциального напряжений до ±500 В! Коэффициент ослабления синфазной составляющей INA117 и AD629 превышает 86 дБ.

Схема ДУ с делителем в обратной связи.

Дифференциальная схема с подогнанными резисторами может обеспечить требуемые характеристики лишь в том случае, если сопротивление источника сигнала равно нулю или, по крайней мере, очень мало. Для измерений в мостовых схемах это условие трудно выполнить.

П о этой схеме выполнена ИМС INA148. Ее входные резисторы имеют довольно высокое сопротивление (1 МОм), К_Д = 1, а КОСС = 90 дБ. Диапазон допустимых синфазных напряжений составляет ±200 В. Другой путь заключается в применении дополнительного выходного усилителя, обеспечивающего повышение коэффициента усиления. Так устроена микросхема INA146.

Схема дифференциального усилителя INA146

Входной ДУ имеет коэффициент передачи всего 0.1, но за счет этого он допускает входное синфазное напряжение до ±100 В при сопротивлениях входных резисторов по 100 кОм. Коэффициент усиления выходного неинвертирующего усилителя У₂ устанавливается внешним делителем R₁R₂ в пределах 1...1000, так что К_Д всей схемы может быть установлен в пределах 0.1...100. КОСС этого усилителя не менее 80 дБ.

Измерительный усилитель на двух ОУ.

Несмотря на ухищрения разработчиков, описанные выше, дифференциальный усилитель пригоден только для усиления сигналов источников с низким выходным сопротивлением, таких, например, как измерительный шунт. Для приема и усиления сигналов источников с относительно большим выходным сопротивлением, например мостовых схем, требуются усилители с входным сопротивлением совершенно иного, гораздо более высокого порядка. Как ранее отмечалось, значительно большим входным сопротивлением обладают ОУ в неинвертирующем включении. Схема простейшего измерительного усилителя с неинвертирующим включением входных ОУ приведена на следующем рисунке.

Измерительный усилитель на двух ОУ

По этой схеме изготавливается ИУ с полевыми транзисторами на входах INA155. Внешним резистором устанавливается дифференциальный коэффициент усиления в пределах 10...50. Усилитель имеет КОСС = 92 дБ. Входной ток — 1 пА.

Измерительный усилитель на трех ОУ.

Улучшить характеристики схемы дифференциального усилителя можно, включив между источником сигнала и каждым из входов неинвертирующий повторитель. Эти повторители будут служить буферами, в результате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, и влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и КОСС практически будет устранено. Недостатком такого решения является то, что здесь потребуется большой КОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на следующем рисунке и принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.

Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Общий КОСС измерительного усилителя определяется соотношением как и в случае с одним ОУ.

Измерительные усилители на трех ОУ имеют КОСС выше, чем схемы на двух ОУ. Они выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD620, LM363, ICL7605 и др.). Обычно эти ИМС имеют выводы для подключения внешнего резистора R_Р, которым задается дифференциальный коэффициент усиления, а также вход опорного напряжения «REF», который используется во многих приложениях. Например, ИУ INA118 имеет низкое смещение нуля V_OFF = 50 мкВ, широкий диапазон напряжений питания (±1.35... ±18 В) и входных напряжений (до ±40 В), малый потребляемый ток — 0.35 мА и широкий диапазон коэффициентов усиления (1...10⁴), устанавливаемых одним внешним резистором.

Шумовые характеристики промышленных моделей измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Дело в том, что низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходного ОУ значительно больше. Поэтому ИУ с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же ИУ с единичным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля.

Интересно, что фирма Maxim выпускает ИМС скоростного дифференциального приемника линии МАХ4146, построенного на трех ОУ. По динамическим характеристикам он оставляет обычные ИУ далеко позади — его полоса пропускания составляет 70 МГц при К = 10, а скорость нарастания достигает 800 В/мкс. Усилитель имеет прекрасные шумовые характеристики — 3.5 нВ/ (К= 100), но довольно большие входные токи — 10 мкА.