Современная схемотехника. Теория современных операционных усилителей на базе устройств фирмы Analog Devices. Учебное пособие

и ОУ, работающие при Uпит = 1.5…2.1 В) растет роль шумов, так как уровни сигналов уменьшаются, а шумы практически нет. Iпотр умень-

шают, чтобы продлить время работы и срок службы источника питания в переносной аппаратуре. Переход к технологии Rail-to-rail расширяет диапазоны сигналов.

Технология: BiMOS или один из видов CMOS.

5. Мощные ОУ: Iвых > 100 мА, Uпит = ±10…150 В.

Области применения: источники питания и стабилизаторы, выходные каскады мощных источников сигналов (например, генераторов фиктивной мощности), усилители мощности аудиосигналов, управление различными механизмами.

Обычно полоса частоттаких ОУ непревышает 500 кГц, напряжение питания до ±150 В, выходной ток до 20 А. При расширении полосы частот максимальные величины Uпит и Iвых снижаются. Режим работы

– классы А, В, АВ. Сейчас появились мощные ОУ класса D. Технология: BiMOS или BiFET.

6. Измерительные ОУ Области применения: измерительная и медицинская техника, авто-

матика, робототехника и т. д.

К измерительным ОУ относятся: а) инструментальные ОУ;

б) преобразователи параметров в ток (4…20 мА); в) ОУ типа «Chopper» и МДМ;

г) изолирующие ОУ; д) полностью дифференциальные ОУ (по входу и по выходу); ж) буферные ОУ;

з) дифференциальные ОУ с набором резисторов; и) PGA – программируемый коэффициент усиления;

к) ОУ с Kу , управляемым с помощью напряжения (VGA – Voltage Gain Amplifiers).

11

4. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ОУ

1. Decompensated Amplifier – декомпенсированные ОУ. У них ча-

стичная внутренняя компенсация начинает действовать с некоторого

KООС , например KООС 10. Если KООС 10, то ОУ возбуждается. Так удается существенно расширить частотный диапазон схем ОУ с ООС.

2. Shutdown – функция, позволяющая перевести ОУ в «спящий» режим, характеризующийся низким потреблением энергии (единицы мкА).

5.ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

ИЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель с непосредственными связями между каскадами, что обеспечивает прохождение через неговходныхсигналовпостоянноготока. ОУимеетдифференциальные входы и большой коэффициент усиления на постоянном токе. Этот тип усилителей находит широкое применение в аналоговой схемотехнике и является одним из базовых элементов измерительной техники.

На рис. 5.1 представлена функциональная схема ОУ.

Рис. 5.1. Функциональная схема ОУ

12

ОУ имеет 5 основных выводов:

– инвертирующий* вход; + неинвертирующий* вход;

Uп – вывод положительного питания;

–Uп – вывод отрицательного питания;

– «земля», проводник электронной схемы, относительно которого отсчитывается потенциал в других узлах схемы.

На выводах ОУ присутствуют следующие потенциалы:

1, 2 – потенциалы на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ;

Uп, – Uп – уровни напряжения питания ОУ**;

Uвых – выход ОУ и уровень выходного напряжения.

Примечание. * Они так называются потому, что если неинвертирующий вход соединить с землей и на инвертирующий вход подать положительное напряжение, тонавыходеОУбудетиметьотрицательноенапряжение. Еслиже заземлить инвертирующий вход и подать положительное напряжение на неинвертирующий вход, то на выходе ОУ появится положительное напряжение.

** В дальнейшем цепи питания ОУ могут не изображаться, чтобы упростить восприятие основных элементов схемы.

Входное напряжение ОУ можно представить в виде двух напряжений:

где Uд – дифференциальное (разностное) напряжение. Оно является тем напряжением, которое непосредственно усиливается ОУ; Uсф –

синфазное напряжение. Оно действует на оба входа ОУ одинаково и является помехой, создающей погрешности при работе ОУ в измерительных устройствах.

Из (5.1) можно выразить 1 и 2 через дифференциальное и синфазное напряжение:

13

Используя (5.2), изобразим эквивалентную схему входной цепи ОУ

(рис. 5.2).

Рис. 5.2. Входная цепь ОУ

Для понимания работы и описания основных технических характеристик приведем упрощенную эквивалентную схему ОУ (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Эквивалентная схема ОУ

В схеме, изображенной на рис. 5.3, используются следующие обозначения:

I – , I – входные токи ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам;

Uсм – суммарное напряжение смещения;

14

Rвх – входное сопротивление ОУ для дифференциального напряжения;

Rвых – выходное сопротивление ОУ; Ku – коэффициент усиления ОУ.

6. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОУ

Статические характеристики – это параметры ОУ (см. рис. 5.3), которые описывают его работу на постоянном токе.

Ku – коэффициентусиленияОУ. Определяется, какотношениеприращения выходного напряжения ( Uвых) к вызвавшему его приращению дифференциального напряжения ( Uд). Ku на постоянном токе

лежит в диапазоне (104 108 ) :

Uсм – напряжениесмещения. Параметр, зависящийоттехнологииизготовленияОУ. Определяетсязначениемдифференциальногонапряжения, которое нужно подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение (Uвых)

было равно нулю. В различных по назначению ОУ напряжение смещения принимаетзначениеотединицмилливольтдоединицмикровольт.

Амплитудная характеристика ОУ

15

Амплитудная характеристика ОУ (см. рисунок) показывает связь между входным дифференциальным напряжением и выходным напря-

жением ОУ. Здесь Uнс – напряжения насыщения выхода ОУ; Uп – напряжения питания ОУ Uнс Uп . Тангенс угла наклона характе-

ристики, проходящей через Uсм , характеризует Ku – коэффициент

усиления ОУ (см. рис. 5.3).

Дрейф напряжения смещения. Его иногда называют дрейфом нуля ОУ. Является технологическим параметром и определяется изме-

нением Uсм при изменении температуры ОУ. Имеет размерность

[мкВ/°C]. У разных ОУ дрейф имеет разные значения, лежащие в диапазоне от десятков микровольт до единиц нановольт на один градус Цельсия.

Входные токи ОУ. Они также являются технологическими параметрами. Находятся в диапазоне от десятков микроампер до пикоампер для разных типов ОУ. В справочниках приводится ток смещения, равный

Iсм (I – I ) / 2 среднему значению входных токов. Иногда приво-

дится разность токов: I | I – – I | .

Коэффициент подавления синфазного напряжения. Характеризует влияние синфазного напряжения на работу ОУ. Показывает численное значение ослабления синфазного напряжения, действующего на входе ОУ, при его преобразовании в выходной сигнал. Определяется как отношение приращения синфазного напряжения к приращению дифференциального напряжения, которые вызывают одинаковые приращения выходного напряжения ОУ. Измеряется в децибелах, обозначается как M:

где Uсф, Uд – приращениесинфазногоидифференциальногонапряжения, дающееодинаковыеприращениявыходногонапряжения Uвых .

16

Таким образом, 1 В приращения синфазного напряжения и 1 мкВ приращения дифференциального напряжения вызывают одинаковое приращение выходного напряжения 1 В, что дает уровень подавления синфазного напряжения 120 дБ. M лежит в широком диапазоне в зависимости от типа ОУ: 40…140 дБ.

Коэффициент влияния источников питания (Kвл.ип). Показывает,

как нестабильность напряжения питания влияет на работу ОУ. Этот коэффициент показывает, какое приращение дифференциального напря-

жениявозникаетнавходеОУ ( Uд) приизменениинапряженияисточника питания ( Uп), измеряется в [мкВ/В]:

Если напряжение питания стабильно, то Uд постоянно и добавля-

ется к напряжению смещения.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала (Rвх).

Оно зависит от типа ОУ и лежит в диапазоне от нескольких десятков килоом до десятков мегаом и более. Это справедливо для усилителей

напряжения (есть специальные усилители тока, у которых Rвх состав-

ляет десятки ом): Rвх IUд .

вх

Выходное сопротивление (Rвых) всех ОУ невелико и составляет де-

сятки-сотни ом: Rвых IUвых .

вых

Сучетом приведенных выше определений статических параметров

вэквивалентной схеме ОУ (см. рис. 5.3) следует уточнить значение ис-

точника суммарного смещения Uсм . Во-первых, в него входит напряжение смещения Uсм , определение которого было дано ранее.

17

Во-вторых, нужно добавить температурный дрейф смещения eдр t n

[°C] ∙ [мкВ/°C], где t – отклонение температуры ОУ от того значения, при котором измерялось Uсм ; п – значение температурного коэффици-

ента. В-третьих, следуетучитыватьдифференциальное напряжение Uд

(6.4) от изменения питающего напряжения. В-четвертых, необходимо прибавить еще дифференциальное напряжение от влияния синфазного напряжения. Для этого нужно найти коэффициент M из (6.2) в абсолютныхединицах(нужноперевестидецибелывчисловоезначение), идалее

разделить Uсф на M, выраженное в абсолютных единицах. Таким образом, в итоге получим:

где M – численное значение M, переведенное из децибелов в число. В принципе все составляющие (6.5) могут иметь любые знаки, так как в справочниках даются пределы диапазонов изменения величин, и лежать в некотором диапазоне изменения. Поэтому для получения результатирующей оценки напряжения смещения их надо складывать по

принципу геометрической суммы ортогональных векторов, т. е.

7. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОУ

Динамические характеристики описывают работу ОУ на переменном токевпереходных процессах иприимпульсных входных сигналах.

Время установления. Показывает длительность переходного процесса на выходе ОУ при подаче на его вход скачка напряжения. Для измерения времени установления используется схема повторителя напряжения на ОУ, на вход которого подается скачок напряжения.

18

Максимальная скорость изменения выходного напряжения ОУ определяется при включении ОУ по схеме, изображенной на рис. 7.1, а,

по графику переходного процесса U2 (t) (рис. 7.1, б). Максимальная

Единицей скорости считается [В/мкс]. Зная vm , можно определить, какую максимальную частоту синусоидального напряжения при заданнойамплитудеобеспечиваетОУ. Пусть U1(t) Um sin ( t). Найдемскорость изменения U1(t), для чего продифференцируем эту функцию:

Максимальное значение производной достигается при | cos( t) | 1 и равно Um . Отсюда получим максимальное значение частоты:

Можно решить и другую задачу. Какова будет амплитуда синусоидального напряжения при заданной m ? Из (7.4) следует:

20