5. Операционные усилители

Наиболее распространенной усилительной ИМС (интегральной микросхемой) является операционный усилитель (ОУ), в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко – на ОУ создаются операционные схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, выделение модуля функции и т.п.). Эти схемы находят применение в устройствах автоматического управления, и они составляют основу аналоговых ЭВМ, где наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ.

Идеальный операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по напряжению.

ОУ является многокаскадным усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления, большым входным и малым выходным сопротивлениями, при этом дрейф нуля практически отсутствует. Первым каскадом ОУ является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения, третьим – усилитель мощности.

ОУ имеет дифференциальный вход, то есть он воспринимает разность входных напряжений

,

(10.5)

где – коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Рисунок 10.11 – Упрощенное графическое обозначение ОУ

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования, но некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные для установки тока поля, частотной коррекции, балансировки (коррекции смещения) АЧХ и ряда других функций.

При обозначении ОУ на схемах возможно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы.

Выводы питания Е могут быть обозначены по-разному и часто их не рисуют на схеме, но они всегда располагают единственным способом (положительный зажим вверху). Вывод источника питания с нулевым потенциалом является общей точкой схемы.

ЭДС питания E_п и потребляемый от источника питания ток позволяют выбрать источник двухполярного питания по напряжению и по мощности. ОУ использует двуполярное питание, источник питания имеет три вывода с потенциалами: «+», «0» и «-» и способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, а типичное значения для ОУ общего применения U₊=1,5…15В, U_–= –15…–1,5В.

Параметры К_U, R_вх и R_вых характеризуют усилительные свойства ИМС.

В реальных ОУ режиму u_вых = 0 соответствует ненулевое напряжение

,

(10.6)

которое называется напряжением смещения нуля (рисунок 10.12).

Рисунок 10.12 – Передаточная характеристика ОУ

6. Импульсные усилители мощности

Управление исполнительными устройствами систем управления режимами работы электродвигателя, термической печи, мощного электромагнита и т. п. реализуется с помощью схем, которые называются импульсные усилители мощности (ИУМ).

Причиной широкого применения ИУМ в различных системах автоматики в случаях, связанных с регулированием электрической мощности, является возможность построения устройств, теоретически обладающих КПД=1. Эта возможность вытекает из выражения (10.7), согласно которому процесс импульсного регулирования не связан с потерями мощности.

,

(10.7)

где U_П – напряжение источника питания, включенного в цепь нагрузки;

K_З – коэффициент заполнения (относительная длительность включенного состояния транзисторного ключа).

Если предположить, что используемый в схеме рисунка 10.13, является идеальным, то есть выполняются условия

(10.8)

то мощность, отбираемая от источника питания, полностью выделяется на нагрузке, что означает равенство КПД=1.

Рисунок 10.13 – Последовательная схема коммутации на биполярном

транзисторе (а) и временная диаграмма изменения напряжения нагрузки (б)

Для реальных устройств КПД=1 не достижим, что объясняется невыполнением в реальных транзисторных ключах, которые используются в ИУМ, условий идеальности по формуле 10.7. Но, тем не менее, реальный КПД у ИУМ выше, чем у усилителей, которые используют активный режим работы транзистора.

Основные требования, которые предъявляются к ИУМ, направлены на полную реализацию их потенциальных преимуществ, а именно:

а) на повышение КПД;

б) уменьшение мощности, рассеиваемой в цепях управления при включенном и выключенном состоянии транзисторного ключа;

в) уменьшение мощности в силовых цепях транзисторных ключей при включенном и выключенном состояниях;

г) уменьшение мощности, связанной с конечным значением времени перехода транзисторного ключа из включенного состояния в выключенное и наоборот.

Повышение КПД ИУМ не является самоцелью, а непрерывно связано с основной тенденцией развития современной электроники – с комплексной миниатюризацией радиоэлектронного оборудования.

Размеры любого электронного устройства даже при использовании совершенных технологических приемов в заданных условиях эксплуатации определяются выделяющейся в нем мощностью. Таким образом, повышение КПД является неприемлемым условием, при котором применение гибридной, полупроводниковой и нанотехнологий позволяют существенно снизить массу и объем, а, следовательно, расширить функциональные возможности радиоэлектронной аппаратуры.

В зависимости от предъявляемых требований и круга решаемых задач, ИУМ могут строиться по различным схемам. Но основой ИУМ в любом случае является схема на основе транзисторного ключа, которую выполняют на основе биполярного или полевого транзисторов, аналогично схеме приведенной на рисунке 10.13,а.

Эти транзисторы включаются соответственно по схеме с общим эмиттером или истоком. Использование этих схем включения объясняется возможностью получения максимального коэффициента усиления по мощности.