Краткие теоретические сведения

В процессе подготовки к выполнению и защите данной лабо­раторной работы необходимо усвоить параметры и характеристики операционных усилителей, их отличительные особенности, внутрен­нюю структуру и схемотехнические решения, основные применения

Операционным усилителем принято называть усилитель по­стоянного тока с двумя входами и одним выходом, обладающий достаточно большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлением. Как правило, операционный усилитель охватывается глубокой отрицательной обратной связью, определяющей его характеристики. Такие усилители в настоящее время в основном выпускаются в виде интегральных микросхем. Низкая стоимость, простота применения и большое количество схемных применений обусловили их широкое использование в различных электронных устройствах.

Основные свойства идеального операционного усилителя.

1. Теоретически операционный усилитель имеет беско­нечно большое входное сопротивление. Это означает, что во входной цепи отсутствует ток. Практически входное сопротивление не бесконечно большое. В простейших усилителях оно составляет около сотни кОм, а в большинстве случаев порядка мегом. Это означает, что входной ток в таком усилителе будет около пикоампера, то есть 10^-9А.

2. Бесконечно большой коэффициент усиления при отсутствии цепи обратной связи. В реальных усилителях значение коэффици­ента усиления составляет десятки и сотни тысяч.

3. Идеальный операционный усилитель должен иметь выход­ное сопротивление, равное нулю. В реальном усилителе это недо­стижимо, но значение выходного сопротивления в сотни и десятки ом вполне реально.

4. Бесконечно большая полоса пропускания усилителя. Это значит, что операционный усилитель должен усиливать любой сиг­нал, поданный на вход, независимо от его частоты, в том числе и с частотой, равной нулю, то есть постоянный ток. Реальные же усилители не могут усиливать сигнал более нескольких мегагерц.

5. Идеальный операционный усилитель не должен вносить шум в усиливаемый сигнал. К сожалению, абсолютное большинство опе­рационных усилителей далеки от этого идеала и не могут быть ис­пользованы в качестве малошумящих усилителей.

6. Разность напряжений между инвертирующим и неинверти­рующим входами всегда должна равняться нулю. При подаче на один из входов напряжения необходимо иметь в виду, что на втором входе появляется такое же напряжение. И это не математическое допущение, напряжение на втором входе действительно мы можем измерить вольтметром. Это свойство является наиболее важным из свойств идеального операционного усилителя.

Рассмотрим некоторые наиболее важные схемы включения операционного усилителя. На рис.5.4 показана схема инвертирующего усилителя. В таком усилителе используется инвертирующий вход операционного усилителя. При этом неинвертирующий вход зазем­ляется, то есть на неинвертирующий вход постоянно подано напря­жение, равное нулю. На основе шестого свойства идеального опе­рационного усилителя можно сказать, что напряжение на инвер­тирующем входе также всегда равно нулю. То есть инвертирующий вход оказывается всегда заземленным, хотя физически он и не присоединен к земле. Это явление в операционном усилителе носит название "кажущейся земли". Инвертирующий вход в таком усили­теле рассматривается также как заземленный вход. Отсюда токи, протекающие через резисторы R1 и R2, могут быть найдены как

Eвх Uвых

I_R1= ----- и I_R2= ------ .

R1 R2

На основании закона Кирхгофа и учитывая, что входной ток в операционном усилителе отсутствует, коэффициент усиления такого усилителя равен

Uвых R2

Ku = - ------- = - ---- .

Eвх R1

Подбором резисторов мы можем получить любое усиление, не зависящее ни от свойств самого усилителя, ни даже от величины сопротивлений. Важно лишь их отношение. Неинвертирующий усили­тель имеет один существенный недостаток. Его входное сопротив­ление достаточно низко. Это связано с тем, что входное сопро­тивление такого усилителя полностью определяется величиной R1. Из-за наличия "кажущейся земли" этот резистор оказывается за­земленным. Единственным способом разрешить эту проблему явля­ется увеличение R1, но из-за конечного значения коэффициента усиления не всегда возможно использовать достаточно большое сопротивление на входе схемы. В связи с этим очень часто отда­ется предпочтение неинвертирующему усилителю, показанному на рис.5.5.

В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на инвертирующий вход операционного усилителя. Цепь обратной связи та же, что и в инвертирующем усилителе, но резистор R1 при этом заземлен. На основании того же шестого свойства при приложении напряжения к неинвертирующему входу на инвертирующем появится такое же напряжение. Так как инвертирования в таком усилителе не происходит, то выходной сигнал имеет ту же полярность, что и входной. При этом, как и в предыдущем случае, токи через рези­сторы рвны соответственно

Eвх Uвых - Eвх

I_R1= ----- и I_R2= ------------ .

R1 R2

Отсюда

Uвых R2

Ku = ------- = ---- + 1.

Eвх R1

Отметим, что такой усилитель в любом случае имеет коэф­фициент усиления не меньше единицы. Входное сопротивление не­инвертирующего усилителя очень высоко и ограничено только входным сопротивлением самого операционного усилителя. Вспом­ним, что значение входного сопротивления 1 МОм не является чем-то необычным. Такой усилитель очень хорошо использовать с вы­сокоомным источником сигнала, когда нежелательно шунтировать предыдущую схему.

а	б	в
Рис.5.6 Схемы повторителя (а), дифференциального усили­теля (б) и схема компенсации токов смещения в инвертирующем усилителе (в)

В неинвертирующем усилителе напряжение обратной связи представляет собой только часть выходного напряжения и обус­ловлено делителем R1R2. Если мы подадим на инвертирующий вход весь выходной сигнал, как показано на рис.5.6,а, то коэффициент передачи схемы такой схемы окажется равным единице. Вспомним, что при подаче напряжения на неинвертирующий вход усилителя на его инвертирующем входе появляется точно такое же напряжение. Учитывая, что инвертирующий вход непосредственно связан с вы­ходом, становится очевидным появление на выходе сигнала, рав­ного входному. Такую схему, называемую еще повторителем, при­меняют в качестве буферного каскада для полной передачи напря­жения от источника сигнал с высоким выходным сопротивлением к низкоомной нагрузке. Это объясняется высоким входным сопротив­лением операционного усилителя и его низким выходным сопротив­лением.

Объединив схемы инвертирующего и неинвертирующего усили­телей, можно построить схему с дифференциальным входом (рис.5.6,б). Такой усилитель усиливает разницу между входными сигналами, а не их абсолютные значения. При условии R2/R1 = R4/R3, усиление такой схемы равно

Uвых R2

Ku = --------- = - ---- .

Eвх1-Eвх2 R1

При подаче на входы этого усилителя синфазных сигналов на его выходе напряжение должно быть равно нулю. В реальном уси­лителе выходное напряжение несколько отлично от нуля и носит название синфазной ошибки. Усилитель с дифференциальным входом используется для усиления очень слабого сигнала, соизмеримого с уровнем наводок в проводах. Входной сигнал подается между двумя входами усилителя и усиливается как дифференциальный сигнал. В то же время напряжение наводки, возникающее между каждым из подводящих проводов и землей, воспринимается усилителем как синфазный сигнал и ослабляется.

Свойства реального операционного усилителя отличаются от идеального. Некоторые из отличий мы уже рассматривали. Очень серьезным недостатком реального операционного усилителя явля­ется наличие напряжения сдвига, в результате чего выходное напряжение отличается от нуля при отсутствии входного напряже­ния. Одной из существенных причин его возникновения является протекание токов смещения входных транзисторов. В идеальном опе­рационном усилителе входной ток отсутствует, но реальные тран­зисторы требуют какого-то смещения, по крайней мере в доли микроампер. При этом ток смещения даже при отсутствии входного сигнала вызовет падение напряжения на параллельном соединении входного резистора и резистора в цепи обратной связи. Обычно для компенсации напряжения сдвига в цепь неинвертирующего входа включают резистор R3, равный по величине параллельному соеди­нению резисторов R1 и R2, как показано на рис.5.6,в. При этом на обоих входах появится одинаковое напряжение, что воспринима­ется усилителем как синфазный сигнал, который, как известно, ослабляется усилителем. Но, к сожалению, токи смещения не един­ственная причина появления напряжения сдвига, поэтому некоторые усилители имеют специальные выводы для компенсации этого напря­жения.

а	б
Рис.5.7. Схемы коррекции АЧХ

Другим недостатком операционных усилителей оказывается слишком широкая полоса пропускания. В реальных применениях приходится ограничивать полосу пропускания операционного уси­лителя. Существует ряд причин для сужения полосы пропускания даже реального операционного усилителя. Во-первых, это необхо­димо делать для уменьшения шума усилителя, ибо шум прямо про­порционален полосе пропускания. Далее, нам просто может быть не нужна такая широкая полоса. И наконец, самое важное, для предотвращения самовозбуждения усилителя, то есть появления колебаний на выходе усилителя при их отсутствии на входе. Са­мовозбуждение усилителя произойдет, если суммарный сдвиг фаз в усилителе и в цепи обратной связи составит 360 градусов (т.е. обратная связь станет положительной), а коэффициент усиления операционного усилителя будет равен по крайней мере единице или более. Это произойдет, если из-за наличия паразитных элементов в схеме возникнет дополнительный фазовый сдвиг в 180°(обычно на достаточно высокой частоте). Для инвертирующего входа при этом обратная связь может стать положительной и уси­литель загенерирует. Поэтому необходимо предусматривать меры, чтобы коэффициент усиления падал до значения единицы на часто­тах меньших, чем та, на которой сдвиг фазы станет равным 360°, Это называется коррекцией амплитудно-частотной характеристики усилителя. Самый простой способ показан на рис.5.7,а. Конденсатор шунтирует сопротивление обратной связи и уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах. Во многих операцион­ных усилителях преду­смотрены специальные клеммы для коррекции амплитудно-частотной характеристики усилителя. К ним подключаются цепочки, указанные в справочнике, как показано, например, на рис.5.7,б.