10.4.3. Операционные усилители

На современном этапе развития схемотехники при проектировании электронных устройств используются не только дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и т.п.), но и законченные функциональные узлы, выполненные в виде унифицированных интегральных схем. Это позволяет значительно улучшить практически все показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки её проект рован я. В связи с этим широчайшее распространение среди устройств аналоговой цифровой электроники нашли операционные

усилители

. Пр менен е ОУ в электронике чрезвычайно широко: уси-

подразумеваетсяобратнойнепрерывно изменяющееся напряжение или ток [4]. ОУ получ ли такое название, так как ранее использовались ис-

ключительно в аналоговыхАвычислительных устройствах для выполнения математических операций суммирования и интегрирования, хотя в настоящее время их функционал заметно расширился. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистораД.

ОУ обладают широкой полосой пропускания переменного напряжения (до 108 Гц), непосредственной связью между каскадами

(т. е. без разделительных конденсаторов), большим коэффициентом усиления напряжения (до 106), высоким входным (до 1012 Ом) и ма-

лым выходным (10 – 100 Ом) сопротивлениямиИ, а также низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности.

По принципу действия ОУ сходен с обычным транзисторным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Если свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его внутренней схемой, то свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами цепи ОС, а, благодаря огромному входному и ничтожному выходному сопротивлению, его внутренняя электрическая цепь не влияет на работу внешних участков цепи устройства.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. Широко распространено в отечественной и зарубежной технической литературе изображение ОУ в виде равнобедренного треугольника (рис. 10.49, а).

315

Согласно ГОСТ 2.759–82 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники» ОУ выполняют в виде прямоугольника (рис. 10.49, б), который может содержать дополнительные поля, расположенные по обе стороны от основного (рис. 10.49, в).

Больш нство ОУ имеют один несимметричный выход 3 и два входа 1 2, с мметр чных по отношению к общему проводу. Прямой

2 называют нверт рующим, так как фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относ тельно входного сигнала. Его обозначают кружком в месте присоединения к ОУ.

Линии питанияАзачастую не показывают на схемах, но подразумевают. Для того что ы о еспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее напряжение. ля этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим выводам ОУ: +Eп, –Eп. Если питающих напряжений несколько, их условно нумеруют и указывают каж-

дое у своего вывода в дополнительном поле.

Д Входной каскад устройства выполняетсяИв виде дифференциаль-

ного усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенных к ним напряжений, т. е. на дифференциальный сигнал.

Поэтому входы оказывают на выходное напряжение равное в количественном отношении, но противоположное по знаку влияние. Если к входам приложены синфазные сигналы – одинаковые по величине и фазе относительно общего провода, то их влияние будет взаимно скомпенсировано, и на входе и выходе будет нулевой потенциал, благодаря чему параметры ОУ мало чувствительны к изменениям напряжения питания, температуры и других внешних факторов. Напряжение на выходе ОУ должно быть лишь в том случае, когда на его вх о- дах действуют различные по уровню и фазе сигналы.

316

Выходное напряжение, измеряемое относительно общего провода, пропорционально разности входных сигналов, называемой дифференциальным сигналом:

ИСДля увеличения прочности, защиты от внешних воздействий и

механических повреждений каждый интегральный ОУ, как и любая , покрывается лаком и монтируется в защитном корпусе. Наи-

большее распространен е на сегодняшний день нашли металлические

(металлокерам ческ е) (рис. 10.50, а) и пластиковые корпуса ОУ. иреди пласт ковых корпусов можно выделить DIP- и SIP-корпуса для разъемного монтажа (р с. 10.50, ) и SOP-корпуса для поверхностного спаечного монтажа (рис. 10.50, в). Такие корпуса могут содержать

2, 4 более ОУ в одной интегральной схеме.

ба в

Рис. 10.50.АКорпуса операционных усилителей

Современные интегральные ОУ имеют структуру (рис. 10.51), включающую в себя дифференциальный усилитель У, усилитель напряжения УН, усилитель амплитуды УА и выходной эмиттерный по-

Рис. 10.51. Структурная схема операционногоИусилителя

Первый каскад ОУ – дифференциальный с эмиттерной связью и резисторной нагрузкой, необходимой для уменьшения дрейфа нуля, подавления синфазной помехи, увеличения входного сопротивления и усиления входного дифференциального сигнала.

Второй каскад – усилитель напряжения – обеспечивает основное усиление входного дифференциального сигнала по напряжению и включает в себя специальную схему сдвига потенциала.

317

В третьем каскаде – усилителе амплитуды – обычно совмещаются схемы усиления сигнала, схемы сдвига уровня и формирования выходного двухполярного неискаженного сигнала. Здесь закладывается основной коэффициент усиления ОУ.

Как правило, все схемы ОУ заканчиваются эмиттерными повто- Срителями, которые определяют нагрузочную способность ОУ и не

участвуют в формировании его коэффициента усиления.

Параметры характеристики операционных усилителей

Коэфф ц ент ус ления дифференциального сигнала Kдиф является сигналовосновным параметром ОУ на очень низкой частоте, определяется отно- Uвх1 = Uвх2 на выходе Uвых ≠ 0. Влияние синфазного сигнала

шением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференц альному сигналу Uдиф. Значения Kдиф приводятся либо в относительных ед н цах, ли о в децибелах в форме 20lgKдиф [4].

У реальногобОУ невозможно обеспечить полную симметрию схемы д фференц ального каскада, поэтому при равенстве входных

при малых его значен ях на ра оту ОУ характеризуется коэффици-

ентом ус лен я с нфазного сигнала K , который определяется отно-

АU сф

шением выходного напряжения вых ОУ без ОС в режиме холостого хода к входному напряжению Uвх при подаче на оба входа одинаковых напряжений. Поскольку синфазный сигнал схемой ОУ должен

быть максимально осла лен, то Kсф имеет очень малое значение (10–4 – 10–6). Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ по постоян-

Рис. 10.52. Амплитудные характеристики операционного усилителя

318

В этой схеме выходное напряжение Uвых инвертировано по фазе по отношению к входному напряжению Uвх. Резисторы R1 и Rос создают параллельную отрицательную ОС по напряжению. Резистор R2 уменьшает паразитное постоянное напряжение на выходе каскада.

Введение ОС в схему приводит к тому, что ОУ стремится компенсировать дифференциальный сигнал Uдиф, сводя его к нулю, за счет выходного напряжения, поступающего на инвертирующий вход

двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким. И

Неинвертирующее включение ОУ. В этом случае сигнал Uвх по-

дается на неинвертирующий вход ОУ, а инвертирующий вход «зануляется» к общему проводу через резистор R1 (рис. 10.55, а). В этой схеме выходное напряжение Uвых совпадает по фазе со входным напряжением Uвх. Резисторы R1 и Rос создают последовательную отрицательную ОС по напряжению, вследствие чего входное сопротивление схемы велико (для ОУ с биполярными транзисторами на входе оно превышает 108 Ом), а выходное – доли Ом [4].

В идеальном ОУ Uдиф → 0, поэтому потенциал инвертирующего входа – точка А – будет равен входному напряжению Uвх. ОС неинвертирующего усилителя представляет собой делитель выходного напряжения, тогда для инвертирующего входа можно записать выражение

321

322

323

324

325

326

Выходное напряжение Uвых схемы дифференциатора на ОУ определяется выражением

частотным составляющ м на входе, даже если их частоты лежат выше полосы частот полезного сигнала. Однако вместе с высокочастотными составляющ ми спектра полезного входного сигнала схема усиливает собственные параз тные шумы сопротивлений и полупроводниковых элементов, что является «минусом» дифференциатора.

лов, один из которых является входным (измеряемым) Uвх, а второй – опорным (задающим) Uоп. В момент равенства мгновенных значений входных сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяет-

329

330

Введение гистерезиса переключения исключает ложное срабатывание компаратора, но при этом возникает временная задержка выходного сигнала по сравнению с простым компаратором.

331