Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока, работающий в широкой полосе частот от нуля до десятков мегагерц, имеющий весьма большой коэффициент усиления от десятков тысяч до сотен миллионов и высокое входное сопротивление, которое обеспечивает малые входные токи. Электропитание стандартных ОУ осуществляется от двух источников +V_п и – V_п с общей точкой корпуса, что дает нулевые потенциалы входных и выходного зажимов при отсутствии входного сигнала (рис.4.3,а). Это позволило путем непосредственного соединения ОУ достаточно просто создавать сложные устройства и способствовало их широкому использованию в аналоговых преобразователях сигналов.

+U_М

–U_М

K^U

f

K⁰

0.7 K⁰

1

f_c

f₁

–20дб/дек

Рис.4.3. Схемное обозначение ОУ (а), его проходная (б) и частотная (в) характеристики

Усилители постоянного тока на электронных лампах были созданы в середине прошлого века для аналоговых вычислительных (моделирующих) машин. Термин операционный усилитель ОУ связан с построением на его основе операционных блоков, выполняющих математические операции (суммирования, интегрирования). С разработкой в 1959 году транзисторных ОУ повысились их надежность, существенно уменьшились габариты и электропотребление, что привело к расширению области их применения. Развитие полупроводниковой интегральной электроники позволило заметно улучшить параметры ОУ и обеспечить невысокую стоимость при массовом производстве, что обусловило их использование в различных устройствах автоматики и измерительной техники. Первый интегральный ОУ (μA702) был разработан и выпущен в 1963 году. В настоящее время выпускаются сотни наименований интегральных ОУ.

Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими и эксплуатационными характеристиками. Стандартный интегральный ОУ представляет собой многокаскадный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад промежуточные и выходной каскады с непосредственными межкаскадными связями. Первые микросхемы ОУ были реализованы на биполярных структурах. Совершенствование технологии привело к совместному использованию в ОУ каскадов на биполярных и полевых транзисторах, причем вначале МОП-транзисторы применялись в дифференциальном входном каскаде для получения высокого входного сопротивления и весьма малых входных токов. Построение дискретно-аналоговых преобразователей, выполненных полностью по МДП технологии привело к созданию ОУ, реализованных исключительно на МОП транзисторах. Применение аналоговых и цифровых преобразователей в составе электронного устройства способствовало разработке схем экономичных ОУ с однополярным электропитанием, номиналы которого совпадают с напряжением источников питания цифровых логических элементов. Для удобства построения аналоговых преобразователей выпускаются микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ.

Основные классификационные параметры ОУ связывают с преимущественно с проходной и амплитудно-частотной характеристиками. Проходные характеристики ОУ по неинвертирующему и инвертирующему входам имеют вид кривых, отраженных относительно вертикальной оси (рис.4.3,б). Характеристику с достаточной степенью точности аппроксимируют прямолинейными участками: средним с наклоном , определяющим коэффициент усиления по одному входу, и областями ограничения, которые зависят от напряжения источников электропитания . С проходной характеристикой связан важнейший точностной параметр ОУ, проявляющийся в наличии постоянного напряжения на выходе при нулевом входном сигнала и называемый смещением нулевого уровня U_см.

Частотная характеристика устойчивого ОУ, т. е. зависимость от частоты комплексного коэффициента передачи напряжения (АФЧХ) должна иметь первый порядок и вплоть до частоты единичного усиления f₁ описываться соотношением

,

где – частота среза, на которой K^u уменьшается в раз или на –3дб.

Такой вид характеристики сложного многокаскадного усилителя получают применением преимущественно внутренней коррекции.

Соответствующую АЧХ (рис.4.3,в) аппроксимируют двумя отрезками:

• при параллельным оси ;

• при с наклоном –20дб/дек .

В качестве одного из основных параметров ОУ наряду с частотами среза f_с и единичного усиления f₁ пользуются площадью усиления , которая при принятой аппроксимации АЧХ с учетом удовлетворяет соотношению .

Параметры, характеризующие классификационные признаки ОУ принято делить на несколько групп:

1) точностные, включающие коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала, напряжение смещения нуля проходной характеристики, коэффициент ослабления поданного на оба входа синфазного сигнала, входные токи каждого зажима, разностный входной ток;

2) динамические, содержащие частоту единичного усиления, время установления и скорость нарастания сигнала;

3) эксплуатационные,к которым относятся номиналы напряжений электропитания, ток потребления, температурный диапазон.

В соответствии со значениями основных параметров многообразие выпускаемых ОУ можно разделить на несколько разновидностей.

Универсальные усилители о б щ е г о н а з н а ч е н и я составляют большую часть номенклатуры ОУ. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности, с типичными параметрами: = 10 ³ …10 ⁵, f₁ = 0.1 . . .10 МГц и напряжение смещения нулевого уровня U_см = 0.1…10 мВ.

П р е ц и з и о н н ы е усилители характеризуются суммарной погрешностью не более долей процента и при среднем быстродействии имеют высокий коэффициент усиления напряжения, малое напряжение смещения нуля, большой коэффициент подавления синфазного сигнала, малый входной ток и низкий уровень шума.

Б ы с т р о д е й с т в у ю щ и е усилители имеют высокую частоту единичного усиления = 50….1000 МГц и обеспечивают скорость нарастания выходного сигнала v_u= 10….1000 В/мкс при средних точностных параметрах.

М и к р о м о щ н ы е усилители потребляют очень малый ток порядка 1мкА при небольших уровнях напряжения электропитания . Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Эти усилители используют в приборах с автономным электропитанием от гальванических или аккумуляторных батарей.

М о щ н ы е и высоковольтные усилители имеют разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 В и выходной ток 0.1 ….1А, а некоторые модификации допускают токи до 10 …100А и мощности свыше 100 Вт.

В силу сложности схемы операционного усилителя при расчете устройств с ОУ применяются различные макромодели, описывающие взаимосвязь величин на внешних зажимах (полюсах). Для каждого типа усилителя можно составить ряд формальных макромоделей различной сложности, базирующихся на паспортных данных или результатах экспериментального исследования.

Расчет устройств с усилителями включает выбор макромодели, отвечающей условиям поставленной задачи, задание ее параметров, составление системы уравнений для полученной схемы и их решение. Простая макромодель ОУ в линейном режиме имеет три каскада, формирующие входные, проходные и выходные характеристики (рис.4.4).

Рис.4.4. Макромодель операционного усилителя

В эквивалентной схеме резистор R_д отображает входное сопротивление для дифференциального сигнала; резисторы R_с - сопротивления входов относительно общей точки (корпуса); резистор r_i - выходное сопротивление; ИТУН с коэффициентом G и цепью rC моделирует частотную зависимость коэффициента передачи; ИНУН с коэффициентом K_с формирует общий коэффициент усиления K⁰= K_с Gr.

При машинных расчетах используют более сложные модели операционных усилителей, учитывающие нелинейности и другие характеристики (например, для учета взаимодействия с источником сигнала и нагрузкой входной и выходной каскады моделируют на компонентном уровне).

Для выявления основных принципов функционирования и при проектировании устройств на базе ОУ с учетом специфики их параметров (большое значение , высокое , малое ) пользуются упрощенными моделями, которые дают хорошую наглядность полученных результатов. Вводят понятие идеального операционного усилителя (ИОУ), макромоделью которого служит управляемый источник ИНУН с , и неизменным во всем частотном диапазоне большим значением .

Схемы с ИОУ анализируют с помощью узловых уравнений, причем большое значение коэффициента усиления приводит к соотношению , которое записывают вместо уравнения для потенциала выходного узла 3. При потенциал выходного зажима ИОУ не зависит от подключенных к нему внешних элементов, что приводит к разделению полной системы уравнений на подсистемы, которым можно поставить в соответствие отдельные функциональные модули. В устройствах с ОУ приведенные допущения выполняются, как правило, с достаточной для расчета точностью. Например, при значениях токов и напряжений для ОУ с, имеем и , что дает снование положить .

Проиллюстрируем применение макромоделей на примере расчета схемы преобразователя с одним ОУ (рис.4.5,а). Использование модели идеального ОУ приводит к простой эквивалентной схеме устройства (рис.4.5,б).