Литература / (тоже супер) физосновы для экз

6.Зи, С. Физика полупроводниковых приборов : в 2 Кн. — М. : Мир, 1984.

7.Терехов, В. А. Задачник по электронным приборам / 2-е изд. — М. : Энергоатомиздат, 1983.

8.Морозова, И. Г. Физика электронных приборов : учебник для вузов. — М. : Атомиздат, 1980.

9.Головатенко-Абрамова, М. П. Задачи по электронике / М. П. Головатенко-Абрамова, А. М. Лапидес. — М. : Энергоатомиздат, 1992. — 112 с.

4.5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель (ОУ) — это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов.

Операционный усилитель — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

1)коэффициент усиления по напряжению стремится

кбесконечности (KU → ∞);

2)входное сопротивление стремится к бесконечности (Rвх → ∞);

3)выходное сопротивление стремится к нулю

(Rвых → 0);

4)если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю (Uвх = 0 → Uвых = 0);

5)бесконечная полоса усиливаемых частот (fв → ∞). История названия операционного усилителя связана

стем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Являясь по существу идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений со-

временной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т. п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.

Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам. Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 10, то стандартный ОУ с коэффициентом усиления 25 000, как будет показано в дальнейшем, можно рассматривать для этого случая как идеальный.

4.5.1. Структурная схема операционного усилителя

Операционный усилитель — это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное графическое изображение приведено на рисунке 4.78. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов называ-

Рис. 4.78

Условное графическое изображение операционного усилителя

ется неинвертирующим, а другой — инвертирующим. Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для уяснения назначения выводов изобразим типичную схему на операционном усилителе — схему инвертирующего усилителя (рис. 4.79).

Часто на схемах выводы +U, –U и 0V не указывают (но, естественно, подразумевают) и используют упрощенное графическое обозначение (рис. 4.80). При этом приведенная выше типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 4.81).

В литературе, особенно зарубежной, часто используют условные графические обозначения, не соответствующие стандарту, принятому у нас (рис. 4.82).

Рис. 4.79

Типичная схема на ОУ — схема инвертирующего усилителя

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя так, как показано на рисунке 4.83. Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением

(дифференциальным сигналом). Ясно, что

uдиф =u+–u– .

Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли на-

пряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u+ – u –) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u + и u –. Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями U + и U – соотношением

Uвых = KU0(U+ – U –),

где KU0 — собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

Как было отмечено ранее, KU0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105–106 или 100–120 дБ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Eп, –Eп). Средний

514 Р А З Д Е Л 4

вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В...±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ усилителя.

Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двухили трехкаскадных усилителей постоянного тока.

Функциональная схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 4.84. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т. п.

Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным

Рис. 4.84

Функциональная схема трехкаскадного ОУ

каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.

Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности.

4.5.2. Основные параметры операционного усилителя

Операционный усилитель является сложным электронным устройством, правильное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и знания основных требований, которые он предъявляет к разрабатываемым схемам. Ниже приводятся основные параметры ОУ, характеризующие его работу.

Коэффициент усиления по напряжению KU0 характеризует способность ОУ усиливать подаваемые на его входы дифференциальный сигнал

KU0 = Uвых/ Uвх.

Типовое значение коэффициента усиления ОУ составляет до 105–106 или 100–120 дБ.

Входное напряжение смещения — это напряжение, которое обусловлено, в основном, неидентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому Uвых = 0 при Uвх = 0. Численно входное напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить к входу усилителя, для того чтобы его выходное напряжение было равно нулю. Иногда это напряжение называют напряжением сдвига нуля (Uсм). Типовое значение этого напряжения единицы — десятки милливольт.

Входной ток Iвх (входной ток смещения) — ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типовое значение этого тока единицы микроампер — сотни наноампер.

Разность входных токов Iвх (ток сдвига). Природа этого тока кроется, в основном, в неодинаковости коэффициента передачи тока h21Э транзисторов входного каскада

516 Р А З Д Е Л 4

ОУ. Численно он равен модулю разности входных токов усилителя

Iвх = |Iвх1 – Iвх2|.

Типовое значение параметра — от единиц микроампер до единиц и десятых долей наноампера.

Входное сопротивление Rвх. Различают дифференциальное входное сопротивление Rвх диф и синфазное входное сопротивление Rвх син.

Rвх диф определяется как сопротивление между входами усилителя, а Rвх син — как сопротивление между объединенными входными выводами и нулевой шиной.

Повышение входного сопротивления дифференциального усилителя достигается снижением базовых токов покоя транзисторов до ничтожно малых значений (единицы наноампер), но это ухудшает работу дифференциального усилителя из-за уменьшения его динамического диапазона, под которым понимают, выраженное в децибелах, отношение максимального сигнала к минимальному. Поэтому повышение входного сопротивления ОУ достигается использованием в его входном канале полевых транзисторов. Типовое значение входного сопротивления — сотни килоом.

Выходное сопротивление Rвых — это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления — сотни ом.

Коэффициент подавления синфазного сигнала Kп сф

определяет степень подавления (ослабления) синфазной составляющей входного сигнала. Его типовое значение — 50–70 дБ.

Максимальная скорость изменения выходного напряжения (V) характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Типовое значение скорости изменения выходного напряжения — единицы вольт/микросекунд.

Частота единичного усиления Fmax — это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких мегагерц.

Кроме перечисленных обычно задаются и предельно допустимые значения основных эксплуатационных параметров:

1)максимально допустимое напряжение питания;

2)максимально допустимый выходной ток;

3)диапазон рабочих температур;

4)максимально допустимая рассеиваемая мощность;

5)максимально допустимое входное синфазное напряжение;

6)максимально допустимое входное дифференциальное напряжение и др.

Большинство перечисленных параметров сильно зависит от условий эксплуатации. Эти зависимости обычно задаются графически.

4.5.3.Передаточная характеристика операционного усилителя

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика — зависимость вида

uвых = f(uдиф),

где f — некоторая функция.

Изобразим график этой зависимости (рис. 4.85) для операционного усилителя К140УД1Б (это один из первых отечественных операционных усилителей).

Рис. 4.85

График передаточной характеристики ОУ К140УД1Б

Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно только то, что напряжение Uсм лежит в диапазоне от –10 до +10 мВ. А это означает, что при нулевом напряжении uдиф напряжение uвых может лежать в пределах от минимально возможного (около –7 В) до максимально возможного (около +10 В).

Для того чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равно нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). В некоторых операционных усилителях (в том числе и типа К140УД1Б) не предусмотрены специальные выводы, воздействуя на которые можно было бы компенсировать напряжение смещения. В этом случае на входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сигнала, нужно подавать напряжение, компенсирующее напряжение смещения. В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Изобразим типовую схему включения операционного усилителя типа К140УД8А, в котором предусмотрены такие выводы (рис. 4.86).

Через NC обозначены специальные выводы для балансировки. Цифрами обозначены номера выводов.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме

uвых = K uдиф,

где K — коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала).

Рис. 4.86

Типовая схема включения ОУ

Обычно величина K лежит в пределах 104–105. К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б K = 1350–12 000, для операционного усилителя К140УД14А K не менее 50 000.

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения. Обычно считается, что в режиме насыщения выполняется условие

uвых = +Uпит – 3 В (при uдиф > 0)

или

uвых = –Uпит + 3 В (при uдиф < 0),

где +Uпит и –Uпит — напряжения питания.

В приближенных расчетах иногда считают, что в режиме насыщения uвых = +Uпит или uвых = –Uпит.

Реальные электронные устройства на основе операционного усилителя практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше K, так как в них используется отрицательная обратная связь.

Легко заметить, что чем больше коэффициент K при заданных напряжениях +Uпит и –Uпит, тем меньше тот диапазон значений напряжения uдиф, который соответствует режиму усиления. Так, если K = 50 000 и +Uпит = | –Uпит| = 15 В,