ЛекцииСАиЦУ_ФКП

котором ток I0 не зависит от приложенных к нему потенциалов, в том числе и от потенциала UЭ эмиттеров транзисторов VT1 и VT 2 в схеме рис. 6.3..

На рис. 6.4. приведены типовые схемные конфигурации, предназначенные к использованию в качестве схем ГСТ в ДК типа рис. 6.3. и ему подобных.

Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определенное и стабильное значение выходного тока I0 и высокоомное сопротив-

ление R0 , является выходная цепь транзистора VT3 , включенного по схеме ОЭf (рис. 6.4,а) или ОИf (рис. 6.4,б). Выходное дифференциальное сопротив-

ослабления синфазного сигнала превышает 60…80 дБ.

При организации схемы ГСТ следует учитывать возможные влияния паразитных проводимостей транзисторов (проводимости база-коллектор в ГСТ на биполярном транзисторе и сток-исток в схемах на полевых). Наиболее существенное влияние на работу ГСТ могут оказать емкостные составляющие этих проводимостей, обратная связь через которые может существенно снизить выходной импеданс ГСТ, особенно на высоких частотах.

93

Глава 7. Функциональные устройства на операционных усилителях

7.1. Операционные усилители и их свойства

Операционные усилители (ОУ) являются одним из широко используемых элементов схемотехнических построений электронных цепей усиления сигналов, их суммирования, частотной фильтрации, создания устройств согласования трактов с различающимися входными и выходными сопротивлениями и ряда других функциональных звеньев для линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.

Само название «операционный усилитель» связано с известными математическими операциями (суммированием, вычитанием, дифференцированием, логарифмированием, интегрированием, сравнением, возведением в степень, умножением и другими преобразованиями), которые в начале развития вычислительных устройств осуществлялись с помощью ОУ.

В современной электронике под операционными усилителями понима-

ют особый класс микроэлектронных устройств обладающих высоким (по-

рядка 105…106) собственным усилением, в том числе и на постоянном токе,

очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным.

По своему схемному построению ОУ являются усилителями постоянного тока, выполненными по дифференциальной схеме рис. 6.1.

Качество ОУ во многом определяется тем, насколько перечисленные и ряд других свойств приближаются к предельно достижимым. Так, у идеального ОУ дифференциальный коэффициент передачи КД имеет неограниченно большое значение, отсутствует реакция на выходе на воздействие синфазной составляющей сигналов (КС = 0). Он обладает бесконечно большим входным сопротивлением относительно дифференциальной RВХД и синфазной RВХС составляющих сигналов.

Идеальный ОУ является безынерционной по передаточным свойствам схемой, т.е. схемой с высоким значением верхней границы полосы пропуска-

94

ния. У него нет ограничений на уровни создаваемых с его помощью токов и напряжений.

Свойства реальных ОУ отличаются от идеальных. Вся номенклатура ОУ подразделяется на классы. При этом в зависимости от того, какие параметры в пределах той или иной группы в наибольшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ.

Например, класс быстродействующих ОУ объединяет операционные усилители, обладающие пониженной инерционностью (повышенной широкополосностью).

Большую номенклатуру охватывает класс так называемых прецизионных ОУ — усилителей, которые по своим свойствам в наибольшей степени приближаются к идеальным УПТ.

В особый класс выделяются сильноточные ОУ (ОУ, способные создавать на своем выходе повышенные значения токов и соответственно работать на низкоомную нагрузку), микромощные ОУ (ОУ с малым токопотреблением) и т.д.

Отклонения свойств реальных ОУ накладывают ряд ограничений на область возможного использования ОУ в схемах обработки аналоговых сигналов, вызывают отличие результатов преобразования от ожидаемых.

ОУ по своему схемному построению являются усилителями постоянного тока (УПТ). На работу таких схем в том числе и ОУ, могут оказывать влияние внутренние паразитные источники постоянного напряжения и тока, вызывающие появление постоянного напряжения на выходе ОУ в условиях отсутствия постоянных сигналов на его входах. Эти источники называют ис-

точниками статической погрешности, а сами отклонения постоянного на-

пряжения от номинального значения —

напряжением статической погрешности или

статической ошибки. Действие источников статической ошибки характеризуют с помощью

одного эквивалентного генератора ЭДС U0Ш ВХ ,

.

95

включенного последовательно с неинвертирующим входом (рис. 7.1.).

Рис. 7.2.

На рис. 7.2. показана схема, на которой основные источники, обуславливающие U0 Ш ВХ, представлены эквивалентными генераторами постоянных токов IВХ + и IВХ − и генератором постоянного напряжения UCM 0. Токи IВХ +

и IВХ −, протекая по внешним по отношению к входным клеммам ОУ цепям,

создают постоянные напряжения U RC + и U RC −. Генератор UСМ0 характери-

зует сдвиг относительно начала координат графика амплитудной характеристики ОУ по оси напряжений UД (рис. 7.3.). Напряжение UCM 0 называется на-

пряжением смещения нуля.

В наихудшем случае, когда все факторы, порождающие эквивалентное напряжение U0 Ш ВХ, не создают взаимно компенсирующего воздействия, оценка значения напряжения U0 Ш ВХ может быть осуществлена по формуле

Рис. 7.3.

96

напряжения источника питания EП на напряжение смещения нуля;

t, EП — отклонения температуры и напряжения источника питания от их номинальных значений.

Приближенный характер соотношения (7.1) обусловлен тем, что оно не учитывает воздействие на ОУ синфазной составляющей паразитных постоянных напряжений. Обычно при типовом построении схема влияния этой составляющей имеет пренебрежимо малое значение.

Токи IВХ + и IВХ − наиболее существенны в схемах, организованных на ОУ, в которых входной каскад выполнен на биполярных транзисторах. В таких ОУ в качестве этих токов выступают базовые токи транзисторов входного дифференциального каскада, в результате чего токи IВХ + и IВХ − имеют приблизительно одинаковые значения. В этих условиях согласно (7.1) для уменьшения напряжения U0 Ш ВХ желательно по возможности обеспечить равенство сопротивлений RC + и RC −, например, за счет включения последова-

тельно с одним из входов в ОУ дополнительно сопротивления. При равенстве сопротивлений RC + и RC − последнее слагаемое в (7.1) имеет наименьшее значение, а соотношение (7.1) можно представить в следующем виде:

где IВХ = IВХ + – IВХ − — разность входных токов IВХ + и IВХ −— в условиях, когда RC + = RC − = RC .

Для существующей номенклатуры ОУ значения напряжения U0 ШВХ лежат в пределах от единиц микровольт до десятков милливольт. Первые из указанных значений относятся к высококачественным прецизионным ОУ, вторые – к ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Пример. Оценить ожидаемое предельное значение статистической ошибки U0 ШВХ, приведенной ко входу ОУ типа КР544 УД1, для случая, когда он применен в схеме с RC = 1MOм. Схема работает при номинальном питании ( ЕП = 0). В процессе работы возможны отклонения температуры от номинального значения t = ± 300.

97

Решение. 1. ОУ КР544 УД1 имеет следующие параметры:

UСМ0 = 5мВ, αt = 20мкв/град, IВХ = 0,15нА.

2. В соответствии с этими данными по (7.2) вычисляем

U0Ш. ВХ = 5 10−3 + 20 10−6 30 +0,15 10−9 106 ≈ 5,8мВ.

Типовые значения U0 ШВХ для ОУ общего применения, выполненного на биполярных транзисторах, составляют 1…5 мВ. Напряжение на выходе ОУ U0 Ш ВХ, вычисленные по формуле U0 Ш ВЫХ = U0 Ш ВХ · КД в соответствии с приведенными данными о U0 ШВХ = 1…5мВ и типовыми величинами КД = 105…106, существенно превышают предельно достигаемые для ОУ зна-

чения выходного напряжения, которые не превышают напряжений источников питания (обычно ЕП ≤ 10…15В). Данное обстоятельство указывает на то, что в условиях отсутствия ООС, действующей на постоянном токе, ОУ, как правило, находится в перегруженном состоянии (состоянии, при котором он теряет способность неискаженного воспроизведения сигналов на своем выходе, так и способность выполнять функцию усиления вообще). По указанным обстоятельствам линейные схемы преобразования аналоговых сигналов организуются как схемы с глубоким ООС, действующими на постоянном токе.

Область применения ОУ в схемах обработки в ряде случаев так же оказывается ограниченна тем, что ОУ не обладают достаточной широкополосностью (имеют невысокое быстродействие). Указанные частотно-временные ограничения обусловлены наличием в структуре ОУ ряда инерционных звеньев. Следствием этого является то, что АЧХ ОУ имеет частотнонезависимый характер лишь в низкочастотной области.

Существенная инерционность ОУ, особенно ОУ с так называемой встроенной схемой частотно-фазовой коррекции, ограничивает быстродействие устройств обработки аналоговых сигналов, затрудняет организацию широкополосных усилительных трактов на ОУ.

98

Для каждого типа ОУ существует предельная скорость изменения выходного напряжения Vmax , значения которой не могут быть превышены ни при каких условиях. Для синусоидального сигнала наибольшее значение этой скорости определяется произведением амплитуды Um на частоту ω = 2πf ,

т.е. Vmax =Um ×2πf .

Из сказанного выше и приведенных соотношений следует, что невоз-

где Vmax , В/ С — предельно допустимое для данного ОУ значение скорости изменения выходного сигнала.

Приводимые в справочниках данные о Vmax обычно соответствуют номинальным значениям напряжений питания. Считается, что при отклонениях питающих напряжений от номинальных скорость Vmax изменяется пропорционально относительным отклонением напряжений питания от номинальных значений.

Следует также иметь в виду, что амплитуда сигнала на выходе ОУ не может превышать некоторого предельно достижимого значения амплитуды Um. max (0) на низких частотах. Для большинства ОУ значение амплитуды

Um. max (0) практически не отличается от напряжения источника питания ЕП.

Сучетом этого и (7.3) рассматриваемые ограничения, накладываемые на предельно достижимые значения амплитуд синусоидальных сигналов, могут быть охарактеризованы с помощью следующих приближенных соотношений:

99

нию питания ЕПН.

Операционные усилители относительно невысокого быстродействия

имеют значение скорости Vmax н, лежащие в пределах от единиц до не-

.

скольких десятков вольт за микросекунду при питающих напряжениях ЕПН порядка десяти вольт. Следовательно, согласно (7.4) заметное снижение предельно достижимых значений амплитуд синусоидальных сигналов в этих ОУ можно ожидать на частотах, лежащих в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц.

График зависимости, построенный в соответствии с (7.4) имеет вид

(рис. 7.4.):

повышенной интенсивности.

7.2. Принципы и особенности организации обработки сигналов в схемах на ОУ

Все устройства с ОУ можно условно разделить на три разновидности. К первой относятся схемы с глубокими ООС, ко второй – устройства, в кото-

100

рых ОУ используются без ОС, к третьей – схемы на ОУ с ПОС. Наибольшее распространение получили устройства первой разновид-

ности. Они строятся по схеме однопетлевой ОС (см. рис. 4.1.), основным усилительным звеном К3.4 которой является ОУ с большим коэффициентом усиления КД. Благодаря этому выполняется условие большой глубины ООС T >>1, что обеспечивает согласно (4.4) практическую независимость свойств устройств обработки на ОУ от обычно весьма неопределенных характеристик самого ОУ.

Следствием организации устройств обработки сигналов в виде схем с глубоким ОС является также то, что в них характер преобразования аналоговых сигналов формируется и задается согласно (4.4) цепью β , внешней по отношению к ОУ, и в первую очередь — основным звеном цепи β — звеном

К5.6. Передаточные свойства β цепи обратной связи и ее звена К5.6 могут быть заданы и сформированы с большой определенностью, что обуславливает в условиях глубокой ОС (T >>1) высокую стабильность и определенность характеристик схем на ОУ и, как следствие этого, широкое использование ОУ в устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов.

Передаточные свойства цепи ОС могут носить как частотнонезависимый, так и частотно-зависимый характер.

Вольтамперные характеристики этой цепи могут быть нелинейными, а в ряде случаев — изменяться под воздействием дополнительных управляющих сигналов. В соответствии с этим из совокупности схем обработки на ОУ с глубокими ООС могут быть выделены отдельные группы.

Большую группу составляют так называемые масштабные усилители. В них цепи ОС организуются на основе частотно-независимых (резистивных) двухполюсников, в результате чего коэффициент усиления (коэффициент масштабирования) оказывается постоянным в широкой частотной области. По существу масштабные усилители являются широкополосными усилителями, выполненными с применением ОУ.

101

Отдельную группу составляют схемы на ОУ, в которых передаточные свойства цепи ОС имеют частотно-зависимый характер. В первую очередь к ним относятся усилители переменных сигналов, усилители, при построении которых использованы разделительные и блокировочные конденсаторы. К этой группе относятся схемы на ОУ, выполняющие функции дифференцирования текущих значений сигналов, а также их интегрирования.

Нелинейные преобразования сигналов выполняют схемы с нелинейными по ВАХ элементами в цепи обратной связи. К схемам этого типа, например, относятся устройства логарифмирования, возведения в степень и др.

Устройства на ОУ, в которых передаточные свойства цепи ОС и соответственно тракта в целом изменяются (управляются) с помощью дополни-

тельного сигнала, называются устройствами параметрического типа. К ним могут быть отнесены, например, схема деления двух сигналов и ряд других устройств.

Что же касается схем на ОУ без обратных связей, а также схем, в которых ОУ охвачен петлей ПОС, то они в первую очередь используются как схемы сравнения двух сигналов. Такие схемы называются компараторами.

7.3. Типовые способы включения ОУ в схему обработки сигналов

Вустройствах с ООС различают три основных способа включения ОУ

всхему. Это инвертирующее включение (рис. 7.5,а), неинвертирующее включение (рис. 7.5,б) и комбинированное включение (рис. 7.5,в).

При всех трех способах включения петля ООС замыкается через инвертирующий тракт ОУ, при этом в целях обеспечения определенности передаточных свойств выполнено основное условие глубокой ОС T >>1.

Рассмотрим передаточные и другие устройства схем рис. 7.5., предварительно считая, что в них использованы идеализированные по ряду параметров ОУ — безынерционные с пренебрежимо малым выходным сопротивлением RВЫХ и бесконечно большими входными RВХС и RВХД (см. рис. 6.2.).

При выполнении этих условий во всех схемах рис. 7.5. значение вхо-

102