Усилитель постоянного тока в интегральном исполнении.
Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.
Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;
· входное сопротивление стремится к бесконечности;
· выходное сопротивление стремится к нулю;
· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;
· бесконечная полоса усиливаемых частот.
ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, а также один выход. Вход и выход УПТ выполняют с учетом вида источника сигнала и внешней нагрузки (несимметричные, симметричные) и величин их сопротивлений. Во многих случаях в УПТ, как и в усилителях переменного тока, обеспечивают большое входное сопротивление, чтобы уменьшить влияние УПТ на источник сигнала, и малое выходное сопротивление, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходной сигнал УПТ.
На рисунке 1 приведена схема инвертирующего усилителя, на рисунке 2 неинвертирующего. В этом случае коэффициент усиления равен:
- для инвертирующего Киоу = Rос / R1
- для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1
Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвхоу и Rвыхоу. Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвхоу и уменьшение Rвыхоу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.
К УПТ предъявляются высокие требования по наименьшему дрейфу нуляи по высокому входному сопротивлению. Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров (истоков) подключен ГСТ ( генератор стабильного тока ), что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку ( в этом случае Jвхоу стремится к нулю ).
Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно-частотной характеристикой в виде, изображённой на рис.3. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то использование его в качестве усилителя возможно лишь при охвате его глубокой отрицательной обратной связью (при отсутствии ООС даже крайне малый сигнал "шума" на входе ОУ даст на выходе ОУ напряжение, близкое к напряжению насыщения).
История операционного усилителя связана с тем, что 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.
В отличии от идеального, реальный операционный усилитель имеет неидеальность различных параметров.
Конечный коэффициент усиления
У идеального операционного усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи коэффициент усиления бесконечен, в отличии от реального усилителя, у которого он конечен. Типичные значения этого параметра по постоянному току при разомкнутой петле обратной связи находятся в диапазоне от 100000 до более чем миллиона. Поскольку этот коэффициент усиления очень большой, то усиление схемы будет определяться исключительно коэффициентом отрицательной обратной связи (т.е. коэффициент усиления схемы не будет зависеть от коэффициента усиления операционного усилителя при разомкнутой петле обратной связи). Если же коэффициент усиления схемы при замкнутой петле обратной связи требуется очень большой, то для этого коэффициент обратной связи должен быть очень небольшим, поэтому в этом случае операционный усилитель перестанет вести себя идеально.
Конечное входное сопротивление
Дифференциальное входное сопротивление операционного усилителя определяется как сопротивление между его двумя входами; синфазное входное сопротивление - это сопротивление между каким-либо из входов и землёй. Операционные усилители со входами на полевых транзисторах часто имеют защитные цепи на своих входах для защиты от превышения входным напряжением некоторого порога, так что в некоторых тестах входное сопротивление таких приборов может оказаться очень низким. Но поскольку эти операционные усилители обычно используются в схемах с глубокой обратной связью, то эти защитные цепи остаются не задействованы. Напряжение смещения и токи утечки, описанные далее, являются гораздо более важными параметрами при проектировании схем с операционными усилителями.
Ненулевое выходное сопротивление
Низкое выходное сопротивление является очень важным для низкоомных нагрузок, так как падение напряжения на выходном сопротивлении может быть существенным. Следовательно, выходное сопротивление усилителя ограничивает максимально достижимую выходную мощность. В схемах с отрицательной обратной связью по напряжению выходное сопротивление усилителя уменьшается. Таким образом при применении операционных усилителей в линейных схемах можно получить очень низкое выходное сопротивление. Однако отрицательная обратная связь не может уменьшить ограничения, накладываемые сопротивлениями Rload (сопротивление нагрузки) и Rout (выходное сопротивление операционного усилителя) на возможные максимальное и минимальное выходные напряжения - она может только снизить ошибки в этом диапазоне напряжений. Низкое выходное сопротивление обычно требует высоких токов покоя для выходных каскадов операционного усилителя, что ведёт к увеличению рассеиваемой мощности, так что в маломощных схемах приходится умышленно жертвовать низким выходным сопротивлением.
Входной ток
Из-за наличия токов смещения или утечки, небольшой ток (обычно - ≈ 10 наноампер для операционных усилителей с биполярными транзисторами во входных каскадах, десятки пикоампер - для входных каскадов на полевых транзисторах и несколько пикоампер для МОП входных каскадов) попадает на входы. Когда в схеме используются резисторы или источники сигнала с высоким сопротивлением, то незначительный ток может создать довольно большое падение напряжения. Если входные токи совпадают, и сопротивления, подключённые к обоим входам одинаковые, то в этом случае напряжения на входах окажутся одинаковыми. Поскольку для работы операционного усилителя важна разность напряжений между входами, то эти одинаковые напряжения на входах не повлияют на работу схемы (если конечно операционный усилитель хорошо подавляет синфазный сигнал). Но обычно эти токи на входах (или входные сопротивления на входах) немного не совпадают, так что возникает небольшое напряжение смещения (но это не то напряжение смещения, которое описано абзацем ниже). Это напряжение смещения может создать смещение или дрейф операционного усилителя. Часто в схеме применяются органы регулировки для его компенсации. У некоторых операционных усилителей предусмотрены выводы для подключения внешнего подстроечного резистора, которым можно сбалансировать входы и тем самым убрать это смещение. Некоторые операционные усилители могут автоматически компенсировать напряжение смещения.
Входное напряжение смещения
Это напряжение, необходимое на входах операционного усилителя для того, что бы установить напряжение на выходе, равное нулю, относится к несовпадению входных токов смещения. В идеальном усилителе отсутствует входное напряжение смещения. Но в реальных операционных усилителях это напряжение присутствует, так как у большинства усилителей на входе имеется неидеальный дифференциальный каскад. Входное напряжение смещения создаёт две проблемы: во-первых, из-за высокого коэффициента усиления по напряжению выход усилителя практически гарантированно перейдёт в состояние насыщения при работе без цепи отрицательной обратной связи, даже если оба входа соединены между собой. Во-вторых, при замкнутой цепи отрицательной обратной связи входное напряжение смещения будет усиливаться вместе с сигналом и это может привести к проблемам для высокоточных усилителей постоянного тока или если входной сигнал очень слабый.
Усиление синфазного сигнала
Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между входами, полностью подавляя все напряжения, общие для обоих входов. Однако дифференциальный входной каскад реальных операционных усилителей никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторому усилению одинаковых напряжений, приложенных к обоим входам. Величину этого недостатка измеряют коэффициентом подавления синфазного сигнала. Минимизация усиления синфазного сигнала обычно важна в схемах неинвертирующих усилителей с большим коэффициентом усиления.
Выходной втекающий ток
Выходной втекающий ток - это максимально допустимый втекающий ток для выходного каскада. Некоторые производители указывают зависимость выходного напряжения от втекающего тока на графике, что позволяет получить представление о выходном напряжении при наличии тока из внешнего источника, втекающего в выходной каскад усилителя.
Температурная зависимость
Все параметры изменяются при изменении температуры. Температурный дрейф входного напряжения смещения является особенно важным параметром.
Подавление пульсаций питающих напряжений
Выходной сигнал идеального операционного усилителя будет полностью независим от пульсаций питающего напряжения на его выводах питания. Каждый реальный операционный усилитель имеет определённый коэффициент подавления пульсаций питающих напряжений, который показывает, насколько подавляются эти пульсации. Применение блокировочных конденсаторов по питанию могут улучшить этот параметр для многих устройств, включая и операционные усилители.
Дрейф
Параметры реальных операционных усилителей подвергаются медленному изменению со временем, при изменении температуры, и т.д.
Шумы
Даже при отсутствии сигнала на входе усилители хаотически изменяют напряжение на выходе. Это может иметь место из-за тепловых шумов или фликкер-шума, присущих устройству. При использовании в схемах с высоким коэффициентом усиления или с широкой полосой пропускания уровень шума становится очень важным фактором, который следует принимать в расчёт.