Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

Лекция 9

Тема: операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и гене рирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике. При инженерной разработке электронных устройств на основе операционных усилителей полезно иметь представление о внутренней структуре операционных усилителей, особенно об устройстве входных и выходных каскадов, что помогает правильно решать вопросы согласования операционных усилителей с источниками входных сигналов и приемниками преобразованных сигналов. Однако во многих случаях нет необходимости учитывать особенности электронной схемы, реализованной в том или ином операционном усилителе. При этом операционный усилитель рассматривается как «черный ящик», который описывается характеристиками и параметрами, соответствующими токам и напряжениям только внешних выводов. Особенности электрических процессов во внутреннихцепяхоперационного усилителя при таком подходе не учитываются. Именно поэтому начальные сведения по операционным усилителям даются в начальном разделе курса электроники, в котором изучают электронные приборы (диоды, транзисторы и т. д.).

Вообще следует отметить, что при обращении к тому или иномуобъектукакэлектроники, таки другихобластей науки и техники всегда можно выделить следующие две тенденции. Первая тенденция состоит в стремлении как можно подробнее изучитьи учестьвнутреннююструктуруи внутренниепроцессы объекта,авторая—встремленииохарактеризоватьобъект так, чтобы эта структура и эти процессы учитывались как можно меньше. В отношенииоперационного усилителя можно сказать, что представление его в форме «черного ящика» значительно упрощает анализ электронных схем и обычно дает вполне приемлемые практические результаты /1/.

9.1 Операционные усилители. Определения, структура

В отечественной и зарубежной литературе приняты два варианта определения операционного усилителя:

I.Операционным усилителем (ОУ) называется многокаскадный УПТ с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенный для работы с глубокой ООС.

II. Операционный усилитель – модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающейся к идеальному усилителю со свойствами:

1)Бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (КU = );

2)Бесконечно большое входное сопротивление (Zвх =

);

3)Бесконечно малое выходное сопротивление (Zвых = 0);

4)Равенство Uвы х= 0 при Uвх1 = Uвх2;

5)Бесконечно большая полоса пропускания частот (от-

сутствие задержки прохождения сигнала).

Практически можно получить достаточно близкое приближение к идеальным параметрам.

Согласно ГОСТ 2-759-82 схема ОУ обозначается прямоугольником (рис.9-1), в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи.

рис.9-1

Другое обозначение (рис.9-2):

рис.9-2

Оба вывода входов - слева, выход – с противоположной стороны. Один вывод - инвертирующий, обозначается кружком. Другой - неинвертирующий (прямой); с этого входа сигнал на выход передается без изменения фазы сигнала.

Прямоугольник может быть разграничен на основное поле и дополнительное, на котором показывают назначения вы-

водов (например, питание, коррекции, балансировки нуля и т.д.).

Сигналы могут подаваться не обязательно на оба входа (может быть подан сигнал только на один вход).

Как правило, питание подается от двух ИП с общей точкой.

В операционных усилителях применяется очень глубокая ООС. Чаще всего используют инвертирующий вход. Структурная схема любого ОУ приведена на рис.9-3: Первый каскад – всегда дифференциальный усилитель (ДУ) - им определяется входное сопротивление Rвх и другие точностные параметры.

Операционные усилители различаются по числу каскадов (до выходных):

рис.9-3

-двухкаскадные ОУ – один входной ДУ и один промежуточный каскад;

-трехкаскадные ОУ – один входной и два промежуточных - это более совершенные ОУ.

Выходной каскад строится обычно по схеме мощного усилителя в режиме В, обеспечивающей заданную мощность на заданой нагрузке Rн. При этом, как было показано

влекции 11, обеспечивается требуемый и требуемый коэффициент гармоники Кг.

Вспомогательные (промежуточные) каскады содержат элементы для коррекции ЧХ, каскады сдвига уровня и т.д..

Упрощенная схема ОУ представлена на рис.9-4:

рис.9-4

Резисторы в цепях эмиттеров Т1 и Т2 повышают входное сопротивление Zвх. Токи коллекторов Т1 и Т2 невелики; входные токи так же малы. Малое усиление, которое при этом получается, восполняется в промежуточных каскадах. Замечания:

1)синфазные сигналы - это сигналы, действующие одновременно и в одной фазе на оба входа.

2)Напряжение сдвига - это некоторое напряжение на выходе при Uвх1 = Uвх2 = 0 из-за неточного согласования внутри ДУ, например, напряжений эмиттер – база входных транзисторов (или неточного равенства элементов схемы).

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам токи эмиттеров Т1 и Т2 задаются ГСТ (транзистор Т3), который имеет высокое Rвых, поэтому коэффициент усиления ДУ по синфазному сигналу очень мал.

Для уменьшения входного тока Iвх (и, соответственно, увеличения Rвх) в качестве Т1 и Т2 используют пары Дарлингтона или полевые транзисторы. ДУ с полевыми транзисторами имеет более высокое напряжение сдвига, сильно зависящее от температуры, чем у ДУ на биполярных транзисторах. Этот недостаток устраняется за счет ООС.

По «историческому» периоду различают три поколения ОУ:

1)трехкаскадные ОУ - в основном на биполярных транзисторах (далекие от идеальных параметров);

2)трехкаскадные; входные каскады – на составных транзисторах по схеме Дарлингтона (более лучшие показатели);

3)двухкаскадные ОУ на компланарных структурах, на полевых транзисторах - они содержат меньшее число каскадов для увеличения устойчивости.

Впервой половине 60х годов широко применялась аналоговая вычислительная техника, в которой применялись ОУ для выполнения математических операций: сложение, вычитание, умножение, дифференцирование - отсюда «традиционное» название – ОУ.

Первые промышленные модели ОУ разрабатывались для широкого применения: в них обеспечивался запас по всем параметрам, обеспечивалась универсальность их применения, многоцелевое назначение. Но это давало плохое приближение к идеальным параметрам.

Поэтому сейчас применяются специализированные ОУ (за счет ухудшения одних параметров получают лучшие другие параметры): большое усиление за счет уменьшения полосы; прецизионные (высокоточные) ОУ; малые шумы и

сдвиги нуля; высокое Rвх и т.д.; быстродействующие (скоростные) ОУ; Отдельный класс ОУ – представляют компараторы.

9.2Схемотехника ОУ

9.2.1Элементарная (упрощенная) схема входного

каскада

Схема (рис.9-5) позволяет получить два входа, но входное сопротивление Rвх невелико

.

рис.9-5

Выходные напряжения

тоже невелики, как и коэффициент усиления Кус:

Всхеме сопротивление RЭ по переменному току

иКсинф 0 (симметричный вход) - эти параметры обеспечивает ГСТ.

9.2.2. Упрощенная типовая схема входного каскада ОУ первого поколения

Упрощенная типовая схема входного каскада ОУ 1го поколения приведена на рис. 9-6:

Здесь R3, T3, T5, R6 - это ГСТ, который служит источником смещения. Так как токи транзисторов Т1 и Т2 малы, падения напряжения на R1 и R2 малы. Для сохранения нормального Uвых, чтобы не применять большие величины R1 и R2, применяется эмиттерный повторитель на транзисторе Т4. Усиление этого входного каскада невелико ( 30 40 дБ) и необходимы еще дополнительные (промежуточные) каскады.

9.2.3. Схема входного каскада ОУ второго поколения

Для увеличения входного сопротивления и улучшения стабильности показателей ОУ разработаны схемы второго поколения, где транзисторы Т1 и Т2 заменяют составными, включенными по схеме Дарлингтона (рис.9-7):

рис.9-7

Транзисторы Т1,Т3 и Т2,Т4 эквивалентны (каждая пара) одному транзистору с коэффициентом усиления по току:

= 1 3 2 4

Входное сопротивление Rвх увеличивается до 10 20 МОм при входных токах 5 10 наноампер. В этой схеме недостаточно высокое согласование базовых токов и напряжений. По этой причине увеличиваются, соответственно, напряжение смещения и температурный дрейф; кроме того, с повышением температуры изменяется значение входного сопротивления.

9.2.4. Схема входного каскада ОУ третьего поколения

- вместо биполярных транзисторов (рис.9-8) применяются полевые транзисторы:

рис. 9-8