Oper_Ampl

Предисловие

Эта книга возникла как результат проведения занятий со студентами физического факультета Адыгейского госуниверси- тета по радиоэлектронике.

В настоящее время основным компонентом большинства радиоэлектронных устройств, средств автоматики являются операционные усилители (ОУ), которые реализованы в виде ин- тегральных микросхем.

Вопросам изучения ОУ посвящено довольно большое число учебной и монографической литературы. Основная пере- числена в списке литературы. К сожалению, большая часть ста- ла уже библиографической редкостью. В отличие от справоч- ной литературы и литературы, содержащей описание конкрет- ных ОУ, в данной книге мы ограничились рассмотрением ос- новных типов (видов) ОУ. Таким образом, эту книгу можно рассматривать как первую часть более широкого курса, вторая часть которого должна быть посвящена конкретным схемам ОУ применяемым на практике. Авторы преднамеренно ограничи- лись этим, ибо в настоящее время промышленностью выпуска- ется большое количество ОУ, и их описанию посвящена специ- альная литература, не носящая порой учебного характера.

Материал книги составлен из переработанных и обнов- ленных материалов книг приведенных в библиографическом списке, который расширен списком интернет-ресурсов по дан- ной теме.

Каждый раздел книги сопровождается изложением теории и иллюстрируется решением типичных задач. Приведенный ма- териал может быть хорошо интегрирован с комплексом лабора- торных работ. Порядок расположения материала помогает ус- воению основных понятий и выработке навыков решения задач

3

по расчету реальных схем ОУ. В конце каждой главы имеются примеры.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность всем тем, кто причастен к изданию книги, Шахановой А.В. – проректору по научной работе АГУ, рецензентам: кандидату технических наук Тощигину И.К. и Почетному работнику об- щего образования Российской Федерации Рыжкову В.И. − стра- стного радиолюбителя.

Январь 2004 г. Майкоп

4

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

В настоящей главе будут рассмотрены устройства, основные свойства и параметры операционных усилителей, а также важ- нейшие типы усилительных схем, в которых они используются.

1.1. ОСОБЕННОСТИ И СОСТАВ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционный усилитель - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характери- стикам приближающийся к воображаемому «идеальному усили- телю». С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются

4)равенство нулю выходного напряжения (U вых = 0 ) при равных напряжениях на входах (U1 = U2 );

5)бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие за- держки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуще- ствлено полностью, однако к ним можно приблизиться с доста- точной для многих приложений точностью. Например, если ко- эффициент усиления схемы ограничивается при помощи обрат- ной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

5

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

+

Рис. 1.1. Эквивалентная схема усилителя

Первый каскад операционного усилителя - это дифференци- альный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высо- кий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (т. е. U2 − U1 на рис. 1.1.) и низкий коэффициент уси- ления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы).

Кроме того, дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им опре- деляется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируются чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

Рис.1.2. Блок-схема операционногоусилителя ( ОУ)

За входным каскадом, как показано на рис.1.2, следуют один или несколько промежуточных. Они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю ве- личины и усиление по напряжению и по току. Последователь-

6

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

ное усиление по напряжению необходимо для получения высо- кого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиле- ние по току - для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада без того, чтобы нагрузить входной каскад. В промежуточных каскадах могут быть использованы как диф- ференциальные, так и однополюсные схемы.

Оконечный каскад должен обеспечивать низкое полное вы- ходное сопротивление операционного усилителя и ток, доста- точный для питания ожидаемой нагрузки. Кроме того, этот кас- кад должен иметь достаточно высокое полное входное сопро- тивление, чтобы не нагружать последний из промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Рис.1.3. Схема операционного усилителя.

На рис. 1.3. показана упрощенная схема операционного уси- лителя. Прежде всего, следует сделать несколько замечаний от- носительно его входной цепи. Сопротивления в цепях эмитте- ров транзисторов Т1 и Т2 повышают полное входное сопротив- ление входного каскада. Токи коллекторов во входном каскаде

7

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

обычно невелики, так что переходы эмиттер-база входных транзисторов имеют высокое сопротивление переменному току, и схема может действовать при малых входных токах. Проиг- рыш в коэффициенте усиления первого каскада, который при этом получается, затем должен быть восполнен в промежуточ- ных каскадах. Для снижения чувствительности схемы к син- фазным сигналам ток эмиттера первого каскада задается с по- мощью источника постоянного тока. Поскольку источник по- стоянного тока имеет высокое внутреннее сопротивление r, ко- эффициент усиления дифференциального усилителя по отно- шению к синфазным сигналам Acc получается очень низким.

Чтобы уменьшить входной ток, необходимый для возбужде- ния дифференциального усилителя, и увеличить его входное сопротивление, в качестве транзисторов первого каскада Т1 и Т2 можно использовать пары Дарлингтона или полевые транзисто- ры. Использование полевых транзисторов (с p-n - переходом или МОП-транзисторов) позволяет получить очень высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители на по- левых транзисторах имеют более высокое входное напряжение сдвига Uсдв, которое сильнее зависит от температуры, чем у усилителей на биполярных транзисторах, однако эти недостат- ки могут быть сведены к минимуму с помощью различных це- пей обратной связи внутри усилителя. Существуют интеграль- ные схемы (ИС) операционных усилителей, в которых для по- вышения полного входного сопротивления на входе использу- ются полевые транзисторы, а в остальных цепях усилителя - биполярные. Использование в качестве Т1 и Т2 пар Дарлингтона также приводит к повышению Uсдв, и усилению зависимости его от температуры.

Если коэффициент усиления по напряжению равен 10 (A1=10) для первого каскада, 100 (A2=100) для второго и 20 (A3=20) для третьего каскада, то общий коэффициент усиления А является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов:

A = A1 A2 A3 = 10 100 20 = 20000 ,

т. е. довольно большой величиной.

8

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

1.2. ВЫВОДЫ И ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

На рис. 1.4. показаны внешние выводы операционного уси- лителя:

Инвертирующий

вход

(2)

Частотная

коррекция

Рис.1.4. Цоколевка операционного усилителя

9