На рис. 1.45 приведена схема стандартного интегрального операционного усилителя типа 741, в котором имеются все приведенные ранее способы улучшения электрических эксплуатационных параметров ОУ:

–повышение входного сопротивления ОУ обеспечивается применением на входе p-канальных полевых транзисторов с p–n-переходом;

–увеличение коэффициента усиления на постоянном токе достигается применением динамических нагрузок на основе генераторов тока;

–входной балансный каскад для увеличения входного синфазного напряжения запитан от генератора постоянного тока;

–выходной каскад в классе AB выполнен в виде повторителя напряжения на транзисторах двух типов проводимости.

Глава 2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

2.1. Основные параметры операционных усилителей

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

–входной импеданс (и для дифференциального, и для синфазного сигнала) равен бесконечности, а входные токи нулю;

–выходной импеданс при разомкнутой цепи ОС равен нулю;

–коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности;

–коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

–выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение сдвига равно нулю);

–выходное напряжение может изменяться мгновенно (бесконечная скорость нарастания выходного сигнала).

При этом перечисленные характеристики не зависят от температуры и изменения напряжения питания. В реальности эти показатели абсолютно недостижимы, поэтому перечислим основные параметры, отличающие реальные операционные усилители от идеальной модели.

Входной ток смещения (Input Bias Current). Небольшой ток, называемый входным током смещения Iсм, втекает по входам операционного усили-

теля (или вытекает, в зависимости от типа ОУ). Этот ток равен половине суммы входных токов, измеренных при соединении входов между собой (два входных тока примерно равны и представляют собой просто базовые токи входных транзисторов). По грубой оценке для операционных усилителей со входами на биполярных транзисторах ток смещения оценивается десятыми

61

долями нА, а для операционных усилителей со входами на полевых транзисторах десятыми долями пА (т. е. в 1000 раз меньше). При расчёте схем на ОУ можно руководствоваться следующим правилом: имея операционный усилитель на полевых транзисторах, можно смело пренебречь входным током смещения; если на входе стоят биполярные транзисторы, так поступать не рекомендуется.

Негативная роль входного тока смещения состоит в том, что он создает падение напряжения на резисторах цепей обратной связи и сопротивлении источника сигнала. От того, насколько малы сопротивления этих резисторов (соответственно мало паразитное напряжение на них), зависит влияние тока смещения на параметры разрабатываемой схемы по постоянному току и отклонения выходного напряжения.

Исходя из сказанного, при расчёте схем на операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по-другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах – здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам. Рассмотрим в качестве примера инвертирующий усилитель (рис. 2.1, а), в котором сопротивление R1 = 10 кОм и R 2 = 1 Мом;

эти значения подходят для инвертирующего каскада, в котором желательно обеспечить значение входного импеданса Zвх, равным 10 кОм. Если выбрать

ОУ типа LM833 с низким уровнем шумов, выполненный на биполярных транзисторах, то выходное напряжение схемы при заземленном входе может достигать величины 100 × 500 нА × 9,9 кОм или 0,49 В, что сложно назвать хорошим результатом: на выходе оказываются лишние полвольта.

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения, существует несколько способов. Если в схеме необходимо использовать ОУ с большим током смешения, и без него никак не обойтись, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги: сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току.

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смешения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис. 2.1, а. В этом случае сопротивление 10 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм.

62

Рис. 2.1: а) инвертирующий усилитель на ОУ типа LM833; б) схема с компенсационными резисторами для уменьшения входного тока смещения

Однако для большинства случаев можно рекомендовать использовать ОУ с пренебрежимо малыми входными токами. В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах с p–n-переходом или на полевых МОП - транзисторах входные токи, как правило, имеют порядок пА (однако и в этом случае входной ток быстро растет при увеличении температуры, удваиваясь при изменении температуры на каждые 10°С). Во многих современных ОУ на биполярных транзисторах за счет использования транзисторов со сверхвысоким значением коэффициента усиления по току β и схем компенсации смещения токи смещения почти так же малы и практически не зависят от температуры. Такие операционные усилители обладают достоинствами ОУ на биполярных транзисторах (высокая точность, низкий уровень шума) и лишены недостатков, связанных с большим током смещения.

Входной ток сдвига (input offset current). Входным током сдвига Iсдв называют разность двух входных токов смещения. В отличие от входного тока смещения ток сдвига обусловлен отклонениями в технологическом процессе изготовления ОУ (разница параметров входных транзисторов в дифференциальном каскаде), так как в отсутствие таких отклонений токи смещения на двух симметричных входах были бы одинаковы. В результате даже при включении на входах источников с одинаковыми сопротивлениями падения напряжения на входах ОУ будут разными и, следовательно, между входами будет существовать разность напряжений. Обычно ток сдвига составляет примерно одну десятую часть тока смешения.

Входной импеданс (Input resistance). Входной импеданс Zвх определяется входным сопротивлением для дифференциального сигнала (импеданс со

63

стороны одного из входов при заземлении другого), которое обычно значительно меньше, чем сопротивление для синфазного сигнала.

Для операционного усилителя типа 411 со входом на полевых транзисторах входное сопротивление равно примерно 1012 Ом, а для дешёвых операционных усилителей со входами на биполярных транзисторах типа 741 составляет около 2 МОм. В связи с тем, что отрицательной обратной связи присущ эффект самопроизвольной установки входов (отрицательная обратная связь стремится поддерживать на обоих входах одинаковое напряжение и значительно уменьшает дифференциальный входной сигнал), для практического расчёта схем Zвх имеет достаточно большие значения и не является столь важным параметром, как входной ток смещения.

Выходное сопротивление, зависимость размаха выходного напряже-

ния от сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление Rвых – это собственное выходное сопротивление ОУ без цепи обратной связи. Для стандартного операционного усилителя его значение имеет порядок сотни Ом, а для некоторых маломощных ОУ оно может достигать нескольких кОм. Обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым, поэтому большое значение имеет максимально допустимый выходной ток, равный, как правило, нескольким десяткам мА (что достаточно незначительно). Часто зависимость размаха выходного напряжения Uвых.разм от сопротивления нагрузки в технической документации изображают в виде графика (рис 2.3), а иногда просто приводят несколько значений для типичных сопротивлений нагрузки.

а) б)

Рис. 2.2. Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки: а) для ОУ типа TL061; б) для ОУ типа OP07. Кривая убывает пропорционально уменьшению сопротивления нагрузки (т.е. росту потребления тока)

64

Коэффициент усиления по напряжению и фазовый сдвиг. Обычно ко-

эффициент усиления по напряжению A для постоянного тока лежит в пределах от 100 до 140 дБ, при этом он уменьшается с ростом частоты, и на частоте, лежащей в пределах от 1 до 10 МГц (ее обозначают ƒср), коэффициент усиления уменьшается до единицы. Обычно строят график зависимости коэффициента усиления по напряжению от частоты при разомкнутой цепи обратной связи (рис. 2.3, а). Такой график, построенный для операционного усилителя с внутренней коррекцией, показывает, что при спаде усиления с наклоном 6 дБ октава начинается на достаточно низкой частоте (для стандартного ОУ общего назначения типа OP07 на частоте около 1 Гц). Такая зависимость создается намеренно, тем самым обеспечивается стабильность работы ОУ. Спад характеристики (такой же, как у простого фильтра нижних частот) приводит к тому, что на всех частотах выше сопрягающей частоты между входом и выходом при разомкнутой цепи обратной связи существует постоянный сдвиг фазы, равный 90° и увеличивающийся до 120–160° по мере того, как коэффициент усиления приближается к единице. Сдвиг фаз на 180° в момент равенства коэффициента усиления единице приводит к появлению положительной обратной связи (автоколебаниям), поэтому разность между фазовым сдвигом на частоте ƒср и 180° называют «запасом по фазе»(рис. 2.3, б).

а) б)

Рис. 2.3. Графическая зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа OP07: а) коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; б) коэффициент

усиления при замкнутой ОС

В связи с тем, что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью (рис. 2.4, а) коэффициент усиления по напряжению в определенный момент начинает убывать. Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиле-

65

ния при разомкнутой цепи ОС приближается к значению, задаваемому цепью обратной связи (1+R1/R2). Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа OP07 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 6 кГц коэффициент усиления ослабляется на 3 дБ (частота ƒср), на частоте 100 кГц коэффициент усиления с изначальных 40 дБ ослабляется до

15 дБ (рис. 2.4, б).

Отсюда можно сделать важный вывод: если надо получить большой коэффициент усиления и при этом работать с высокочастотными сигналами, следует делать несколько последовательных каскадов усиления на стандартных усилителях (их коэффициенты усиления будут перемножаться) либо воспользоваться высокочастотными усилителями, при этом их цена может быть очень велика, как и собственное потребление тока подобных усилителей. Так, стандартные операционные усилители типа OP07 или TL061, которые широко используются в наших лабораторных работах, стоят около 20 центов за штуку, а стоимость ОУ с расширенным рабочим диапазоном частот (до 180 МГц) типа LTC6246 от «Analog Devices» составляет порядка пяти долларов, и это далеко не предел.

Очевидно, что коэффициент усиления играет огромную роль для полосы пропускания при усилении слабых сигналов. Действительно, это соотношение настолько устойчиво, что для большинства случаев произведение ширины полосы пропускания (BW) на коэффициент усиления (G) является константой. В иностранной документации этот параметр фигурирует как произ-

ведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (обозна-

чается как Gain–Bandwidth Product или GBWP).

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента усиления от частоты для усилителя с цепью обратной связи

66

Входное напряжение смещения (Voltage Offset). Отклонения, возника-

ющие в процессе изготовления операционных усилителей, приводят к тому, что входные каскады ОУ имеют некоторую разбалансировку. Если входы ОУ соединить между собой и заземлить, то выход схемы насытится, и выходное напряжение будет равно одному из напряжений питания (заранее предсказать точное состояние нельзя). Разность входных напряжений, необходимая для того, чтобы выходное напряжение стало равным нулю, называют входным напряжением смещения, Uсм. В старых операционных (в первых моделях, созданных Бобом Видларом) усилителях была предусмотрена возможность уменьшения входного напряжения смещения до нуля (настройка нуля), в современных моделях такой подход практически не применяется.

Благодаря входному напряжению смещения при нулевом напряжении на входе, напряжение на выходе схемы усилителя на ОУ равно Uвых = Ku0Uсдв. Если рассмотреть одинаковые схемы усилителей (рис. 2.5) с коэффициентом усиления по напряжению, равным 100, то на разных ОУ – в первом случае это TL061 c напряжением смещения 3 мВ (рис. 2.5, а), во втором – OP07 c напряжением смещения 30 мкВ, т. е. в сто раз меньше (рис. 2.5, б), разница сразу становится очевидной.

Для точных систем не меньшее значение, чем само напряжение смещения, имеет его дрейф под влиянием температуры и времени, так как начальное смещение можно скомпенсировать и сделать равным нулю. Коэффициент, определяющий дрейф смещения под влиянием времени, изготовители обычно вообще не оговаривают. Для прецизионного операционного усилителя типа ОР27 с помощью лазерных методов подгонки напряжение сдвига устанавливают не превышающим 25 мкВ, температурный коэффициент напряжения смещения (ТКНсдв) для этой схемы равен 0,6 мкВ/°С, а временной дрейф определяется коэффициентом 0,2 мкВ/мкс.

Рис. 2.5. Напряжение смещения для различных типов ОУ

67

Скорость нарастания выходного сигнала (Slew rate). Компенсацион-

ная емкость операционного усилителя и небольшие внутренние токи ограничивают скорость изменения выходного напряжения даже при условии большого разбаланса входов. Предельную скорость изменения выходного напряжения обычно называют скоростью нарастания выходного сигнала. Для стандартного ОУ типа TL061 она равна 3,5 В/мкс. У маломощного ОУ скорость нарастания обычно не превышает 1 В/мкс, быстродействующий ОУ может иметь скорость нарастания порядка 100 В/мкс, а для сверхбыстрых буферов скорость нарастания может достигать нескольких тысяч В/мкс. Скорость нарастания ограничивает амплитуду неискаженного синусоидального выходного сигнала при превышении некоторой критической частоты, на которой для получения полного размаха выходного напряжения скорость нарастания ОУ должна быть максимальной (рис. 2.6); тем самым объясняется введение в техническую документацию графика зависимости размаха выходного напряжения от частоты. Для синусоидального сигнала, частота которого равна ƒ герц, а амплитуда А вольт, минимальная скорость нарастания должна составлять 2πAF В/с.

На рис. 2.6 представлен график для операционного усилителя типа OP07 со скоростью нарастания 0,3 В/мкс. При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением А от пика до пика ≤ s/πƒ для синусоидального сигнала, имеющего частоту ƒ; этим объясняется существование участка спада на графике с наклоном 1/ƒ. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Рис. 2.6. График ОУ ОР07 со скоростью 0,3 В/мкс: а) искажение, обусловленное скоростью нарастания; б) зависимость размаха выходного напряжения от частоты.

Uи = ± 15В; Токр = 25°С, Rн = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ƒ

68

Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений. В эту катего-

рию входят параметры допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей. Вопервых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов. Существует три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

1. Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Также диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Несимметричное питание также может использоваться, но встречается достаточно редко.

2. Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рис. 2.7. В этом случае в документации используется формульная запись, например: для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от

(V–)+2 В до (V+)–2,5 В.

3. Диапазон выходного напряжения (output voltage range) или размах выходного напряжения (output swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V−)+1 В до (V+)−1,5 В.

На рис. 2.7. представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рис. 2.7 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения. Чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума, потребуется изменить коэффициент усиления.

69

Рис. 2.7. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

Схема на рис. 2.7 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Собственный ток потребления ОУ (Total Quiescent Current). Опера-

ционный усилитель – это микросхема с большим числом нормируемых параметров, среди которых потребляемый ток является далеко не самым важным для многих приложений. В то же время есть области применения, для которых собственный ток потребления усилителя, а значит, и рассеиваемая усилителем мощность имеют очень большое значение. В первую очередь это важно для всевозможных переносных электронных устройств с батарейным питанием или для аппаратуры, в которой есть резервный батарейный источник питания, используемый при отключении или аварии основного источника. К таким устройствам относятся мобильные телефоны, радиостанции, переносные измерительные и медицинские приборы, охранные системы, стационарные системы с беспроводными удаленными датчиками и многие другие изделия электронной промышленности.

Параметр собственного тока потребления вполне очевиден, однако нужно обращать внимание на то, что в случае многоканального усилителя ток может быть указан как для всей микросхемы в целом, так и в расчете на каждый отдельный усилитель. Следует отметить, что критерии достижения минимального энергопотребления противоречат критериям достижения максимального быстродействия, поэтому микромощные (или малопотребляющие) ОУ, как правило, имеют весьма ограниченные скоростные параметры и

70

наоборот. Необходимость минимизации энергопотребления объясняется требованиями к устройствам с батарейным питанием. В связи с этим подавляющее большинство микромощных ОУ имеют к тому же пониженное напряжение питания, чаще всего однополярное.

При небольшом напряжении питания потеря даже одного вольта как разницы между напряжением питания и достижимым напряжением на выходе представляется слишком расточительной. Поэтому большинство современных ОУ этого класса обладают возможностью достижения выходным сигналом полного размаха выходного напряжения в пределах напряжения питания. Такая способность называется R/R- (Rail-to-Rail) выходом, о чём более подробно будет рассказано в следующих главах.

Шумовые параметры операционных усилителей в значительной степени определяют минимальный допустимый уровень входных сигналов и в общем случае шумы присущи всем ОУ во всех классах. Рассматривать более подробно эти параметры не будет, поскольку они важны только при проектировании высокоточных схем, разработка которых выходит за рамки этого курса. Наиболее распространенные параметры, используемые для анализа шума усилителя, – это приведенное ко входу шумовое напряжение (Input Voltage Noise) и приведенный ко входу шумовой ток (Input Voltage Current).

Их часто описывают через приведенную ко входу спектральную плотность (Density) шума или среднеквадратический шум в полосе Df = 1 Гц, как правило, в единицах пА/√Гц (для шумового тока) или нВ/√Гц (для шумового напряжения). Деление на √Гц возникает вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы.

Влияние температуры. Все рассмотренные параметры зависят от температуры. Однако это обычно не влияет на работу схемы, так как, например, небольшие изменения коэффициента усиления почти полностью компенсирует обратная связь. Более того, изменение этих параметров под влиянием температуры, как правило, невелико по сравнению с их изменением от образца к образцу. Исключение составляют входное напряжение смещения и входной ток сдвига. Их зависимость от температуры сказывается в появлении дрейфа выходного напряжения даже при условии того, что входные смещения изначально крайне малы.

71