2363

Повторитель напряжения на основе ОУ

Схема повторителя напряжения получается при R 0 , R 0 .

1 2

Рис. 2.8. Повторитель напряжения на основе ОУ

Если ОУ работает в режиме усиления, то U диф 0 , U вых U вх .

Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор)

Рис. 2.9. Сумматор напряжения

41

Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя в цепь инвертирующего входа включают резистор Rэ. с сопротивлением

Идеальный операционный усилитель

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

1.бесконечно большой дифференциальный коэффициент

усиления по напряжению КU U вых / U1 U 2 (у реальных ОУ от 1 тыс. до

100 млн.);

2.нулевое напряжение смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве вход-

ных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ UCм,

приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

3.нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей нА до единиц мкА);

4.нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

42

5.коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

6.мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до со-

тен микросекунд).

Как будет показано ниже, операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удов-

летворяться, по крайней мере вплоть до частоты единичного усиления fт, т.е.

такой частоты, при которой - |KU| -1. На рис. 3 представлена типичная лога-

рифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсиро-

ванного операционного усилителя.

Рис. 2.10. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления та-

кого усилителя выражается формулой:

Здесь КU - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоян-

ном токе. Выше частоты fп, соответствующей границе полосы пропускания

43

на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления КU обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

| КU |f=| КU |fп =fT

На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления | КU |

= 1. Как следует из последнего выражения, частота fT равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Стандартная схема операционного усилителя

Операционные усилители универсального применения должны обеспе-

чивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления,

чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двух-

каскадной схеме. Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ

A741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на р-п-р транзисторах VT1 и VТ2. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на п-р-п транзисторах VТ3 и VТ4. Для выходного тока входного кас-

када, следовательно, можно записать следующее соотношение:

44

Iд = Iк2 – Iк1 (2.20)

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфаз-

ные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе VТ9. В некоторых ОУ (например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало,

причем его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и мо-

жет им программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в ча-

стности, потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на тран-

зисторе VT6. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе

VТ10. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VТ5. Конденсатор Ск обес-

печивает операционному усилителю частотную характеристику вида, приве-

денного на рис. 2.10.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплиментарный эмиттерный повторитель на транзисторах VТ7, VТ8 Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении,

обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной по-

лярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.

Схема замещения операционного усилителя

При построении высокоточных схем на ОУ необходимо учитывать влияние неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удоб-

45

но представить усилитель схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена на рис.2. 12.

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для дифференциального сигнала гд составляет не-

сколько МОм, а входное сопротивление для синфазного сигнала гвх несколь-

ко ГОм. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют вели-

чину порядка нескольких нА. Существенно большие значения имеют посто-

янные токи, протекающие через входы операционного усилителя и опреде-

ляемые смещением транзисторов дифференциального каскада. Для универ-

сальных ОУ входные токи находятся в пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами, выполненными на полевых транзисто-

рах, они составляют доли нА.

Рис. 2.12. Схема замещения реального операционного усилителя для малых сигналов

Для иллюстрации влияния собственных сопротивлений усилителя на характеристики схемы на ОУ рассмотрим схему неинвертирующего усилите-

ля (рис.2. 13).

46

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению Гд приложено очень малое напряжение

Uд = Uвх / KU = U1 (1+ KU ) (2.21)

где = R1 /( R1+R2) - коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи. Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный

U1/rд(1+ KU B). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благода-

ря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+ KU . Согласно рис. 2.13, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

транзисторами на входах превышает 109 Ом. Следует, однако, помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине; это значит, что из-

менения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока мо-

жет принимать несравненно большие значения.

Рис. 2.13. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ

47

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отно-

шении выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет rвых порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением отрицательной обратной связи по напряжению.

Снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых при подключении нагрузки, передается на n-вход усилителя через де-

литель напряжения R1, R2. Возникающее при этом увеличение дифференци-

ального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением:

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на рис. 2.13, эта формула принимает вид:

Rвых дUвых

дIвых U1 const .

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина Uд не остается постоянной, а изменяется на величину

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину d(JA ) из (13) с учетом (12), получим искомый результат:

48

1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы пропускания усилителя fn, которая для А741 составляет всего толь-

ко 10 Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться, т.к. величина |Кu| с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20дБ на декаду (см. рис.2.10). При этом оно при-

обретает индуктивный характер и на частотах более fT становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.

Коррекция частотной характеристики

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структу-

ры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к не-

устойчивости, проявляющейся в том, что даже при отсутствии сигнала на входе системы, на ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам. Типичные логарифмические асимптотическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазово-частотная (ЛФЧХ) характеристики

(диаграмма Боде) ОУ без частотной коррекции приведены на рис.2. 14.

49