9.ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

9.1.Основные параметры и классификация

Операционный усилитель (ОУ) – это универсальный многокаскадный усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом и двух- тактным выходным, с большим коэффициентом усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным. ОУ предназначены для использования с цепью глубокой отрицательной обратной связи. Первоначаль-

но ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах при построении устройств, предназначенных для выполнения математических операций над аналоговыми величинами (сигналами). Первые ОУ строились на дискретных элементах (электронных лампах, транзисторах). В настоящее время ОУ выпус- каются в виде интегральных микросхем и используются при построении усили- телей различного назначения.

Интегральные ОУ описываются следующими основными параметрами.

Коэффициент усиления по напряжению Ku = Uвых Uвх – отношение

изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напря- жения. Как и для ДУ, различают коэффициент усиления дифференциального сиг- нала Ku диф и коэффициент усиления синфазного сигнала Ku СС . Для ряда ОУ ко-

эффициент усиления дифференциального сигнала превышает 3×106 .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала KОСС = Ku диф Ku СС –

отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффи- циенту усиления синфазного сигнала. Данный параметр может превышать

60...80 дБ .

Частота единичного усиления f1 – значение частоты входного сигнала,

при котором значение коэффициента усиления по напряжению падает до еди- ницы. Данный параметр определяет максимально реализуемую полосу усиле- ния ОУ. Существуют ОУ с частотой единичного усиления, достигающей десят- ков мегагерц.

Скорость нарастания выходного напряжения VUвых – отношение изме-

нения выходного напряжения от 10 до 90 % своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Данный параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе. В некоторых ОУ скорость нарастания достигает 200 В/мкс.

Максимальное значение выходного напряжения Uвых max – максимальное

значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают задан- ного значения. Обычно на 1…2 В меньше напряжения питания, что связано с падением напряжения на транзисторах выходного каскада.

Напряжение смещения Uсм – значение напряжения, которое необходимо

подать на вход ОУ, чтобы напряжение на выходе было равно нулю. Данный пара- метр позволяет рассчитать сопротивления балансировочных резисторов. Обычно величина этого параметра – десятые доли – единицы милливольт, в редких случа- ях составляет десятки микровольт.

125

Входные токи Iвх – токи входных выводов ОУ. Эти токи являются базо-

выми токами биполярных транзисторов входного дифференциального каскада или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Вход-

ные токи при их протекании по внутреннему сопротивлению источника сигнала создают падение напряжения, которое может вызвать появление выходного на- пряжения в отсутствии сигнала на входе. Входные токи могут иметь значения от десятков пикоампер до десятков наноампер в зависимости от типа транзи- сторов входного ДУ.

Разность входных токов Iвх обусловлена различием характеристик

транзисторов входного каскада. Информация о данном параметре позволяет рассчитать сопротивление балансировочного резистора. Достигает 20 % от ве- личины входного тока.

Выходной ток Iвых – максимальное значение выходного тока ОУ, при ко-

тором гарантируется его работоспособность. Данный параметр определяет вели- чину минимального сопротивления нагрузки RН . При расчете комплексного со-

противления нагрузки необходимо учитывать, что при переходных процессах (при включении, выключении ОУ) значения индуктивных и емкостных состав- ляющих сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подбо- ре активной составляющей нагрузки ОУ может выйти из строя. Обычное значе- ние выходного тока – несколько десятков миллиампер, что соответствует мини- мальному сопротивлению нагрузки несколько килоом.

Ток потребления Iпот – ток, потребляемый операционным усилителем от ис-

точника питания в режиме покоя. Потребляемый ток достигает единиц миллиампер. Напряжение питания UИП – максимальное значение напряжения источ-

ника питания, при котором ОУ сохраняет работоспособность с указанными в справочнике основными параметрами. В большинстве случаев напряжение пи- тания не превышает ±15 В.

Входное синфазное Rвхсинф и дифференциальное сопротивление Rвх диф ,

которые определяются так же, как и для дифференциального усилителя.

Для оценки параметров ОУ и проведения инженерных расчетов схем с ОУ вводится такое понятие, как «идеальный» ОУ, параметры которого стре- мятся к предельным значениям: Ku диф → ∞, Uсм = 0 , Iвх = 0, Rвх диф → ∞ ,

Rвых = 0 , f1 → ∞ .

Различные варианты условного графического обозначения интегрального ОУ представлены на рис. 9.1. Основные выводы, которые существуют во всех ОУ, имеют следующее назначение: неинвертирующий вход, названный так, по- скольку фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала на этом входе; ин- вертирующий вход, сигнал на котором изменяется в противофазе с выходным сигналом; выводы для подключения двух разнополярных источников питания (+ UИП , − UИП ); выход усилителя. Ряд интегральных ОУ имеют дополнитель-

ные выводы: для подключения балансировочных резисторов (NC – null correction), для подключения цепей, выполняющих коррекцию амплитудно-частотной характеристики (FC – frequency correction).

126

В настоящее время вы- пускается большое число ОУ, различающихся величиной ос- новных параметров, а значит, и назначением. При этом исполь- зуют следующую классифика- цию ОУ.

Универсальные ОУ (об-

щего назначения) имеют пара- метры, значения которых лежат

в середине вышеприведенных диапазонов, и могут использо- ваться при разработке различ- ных аналоговых устройств.

Прецизионные ОУ харак-

теризуются очень большим зна- чением коэффициентов усиления; значительным коэффициентом подавления син- фазного сигнала; очень малым напряжением смещения нуля и используются при создании инструментальных усилителей.

Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания выходно- го напряжения, достигающую десятков вольт на микросекунду.

Микромощные ОУ характеризуются низкими значениями тока потребле- ния и напряжения питания и предназначены для использования в аппаратуре, работающей в режиме ожидания, от автономных (низковольтных) источников питания, при построении различных датчиков с низким энергопотреблением.

Регулируемые ОУ имеют возможность для управления их током потреб- ления путем изменения сопротивления, подключаемого к дополнительному вы- воду регулировки.

Мощные ОУ способны отдавать в нагрузку токи до 1 А.

Высоковольтные ОУ могут работать от источников питания с повышен- ными напряжениями ( ± 27 В).

Многоканальные ОУ имеют несколько усилителей в одном корпусе.

9.2. Обратные связи

При построении усилительных устройств ОУ применяют только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая позволяет уменьшить коэффици- ент усиления по напряжению Ku до требуемых значений 1…103, но одновре-

менно с этим уменьшает зависимость Ku от температуры и напряжения пита- ния. С помощью ООС можно управлять входным Rвх и выходным Rвых сопро-

тивлениями усилителя. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопус- тимо, так как возрастает вероятность нарушения устойчивости ОУ, и усложня- ются цепи коррекции частотной характеристики усилителя.

Обратной связью (ОС) называют передачу всего или части выходного сигнала во входную цепь усилителя. Цепью обратной связи называется электри-

127

ческая цепь, по которой осуществляется передача сигнала ОС. Петлей ОС назы- вают замкнутый контур, включающий в себя цепь ОС и часть усилителя между точками ее подключения. Местной петлей ОС (местной ОС) называют ОС, ох- ватывающую отдельные каскады или часть усилителя. Общая ОС охватывает весь усилитель. Внутренней ОС называют в том случае, если цепь ОС является неотъемлемой частью усилительного элемента.

Различают отрицательную обратную связь (ООС), когда сигнал ОС вычи- тается из входного сигнала усилителя, и положительную обратную связь (ПОС), если сигнал ОС суммируется с входным сигналом усилителя.

ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления. ПОС приводит к увеличению коэффициента усиления или самовозбуждению усилителя. В этом случае сигнал на выходе усилителя присутствует при его отсутствии на входе. Усилитель становится автогенератором.

ОС может существовать для медленно изменяющейся составляющей вы- ходного сигнала, либо для переменной составляющей выходного сигнала, либо для всего сигнала. В этих случаях говорят, что ОС осуществляется по постоян-

ному току; по переменному току; по постоянному и переменному току соот-

ветственно.

По способу получения сигнала ОС различают: ОС по напряжению, когда сигнал ОС пропорционален выходному напряжению; ОС по току, когда сигнал ОС пропорционален выходному току; комбинированную ОС, когда сигнал ОС пропорционален и выходному току, и выходному напряжению.

По способу введения сигнала ОС во входную цепь различают: параллель- ную ОС, когда параллельно включены источник входного сигнала, цепь ОС и вход усилительного элемента; последовательную ОС, когда источник входного сигнала, цепь ОС и вход усилительного элемента включены последовательно; смешанную ОС, когда с входным сигналом усилителя суммируются как ток це- пи ОС, так и напряжение ОС.

На рис. 9.2 показана обобщенная схе- ма усилителя, охваченного цепью ОС. Ко-

эффициент усиления усилителя без ОС и коэффициент передачи цепи ОС в общем случае являются комплексными величина- ми, для которых можно записать

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления усилителя, охва- ченного ОС K& ОС = U& вых U& вх , необходимо выражение для выходного напря-

жения

128

симости от величины петлевого усиления ОС будет положительной или отри- цательной. Рассмотрим несколько различных случаев.

1. Коэффициент петлевого усиления есть величина действительная

то коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС, возрастает по сравнению с коэффициентом усиления без ОС: KОС > K . Усилитель охвачен положитель-

ной ОС.

Если произведение Kγ равно единице

то глубина обратной связи стремится к нулю, а коэффициент усиления усили- теля с цепью ОС стремится к бесконечности KОС = ∞ . Сигнал на выходе будет

даже при отсутствии сигнала на входе. В усилителе возникают автоколебания. Совместное выполнение условий (9.5) и (9.7) есть условие самовозбуждения усилителя. Причем если условия (9.5) и (9.7) выполняются на одной частоте, то автоколебания будут иметь синусоидальную форму. Если выполняются на не- скольких частотах или в полосе частот, то форма будет отлична от синусои- дальной.

2. Если сигнал ОС подается в противофазе с входным сигналом, т.е. фаза

петлевого усиления

Тогда 1+ K γ > 1 и коэффициент усиления при подключении цепи ОС бу- дет уменьшаться. Условие (9.8) является условием отрицательной ОС.

Причем если ООС глубокая, т.е. выполняется условие 1+ K γ >>1, то из

Из (9.10) следует, что коэффициент усиления усилителя, охваченного глу- бокой ООС, не зависит от коэффициента усиления усилителя без цепи ОС, а пол-

129