2.5.6 Операционные усилители

Современный этап развития электроники характеризуется тем, что при проекти­ровании электронных средств различного назначения используют не дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. п.), а законченные функциональные узлы, выполненные в виде ИС. Такой подход позволяет значи­тельно повысить статические, динамические, эксплуатационные и надежностные показатели аппаратуры. Применительно к цифровым устройствам выбор ИС с нужными свойствами достаточно формализован и практически не представля­ет трудностей.

В то же время выбор и применение аналоговых ИС (АИС) достаточно специ­фичен и оставляет большой выбор для творчества.

В настоящее время разработано большое количество АИС как общего, так и специального назначения. К ним в первую очередь следует отнести АИС уси­лителей постоянного тока (операционных усилителей), схем сравнения (компа­раторов), источников питания (непрерывных стабилизаторов напряжения).

Большую группу составляют специализированные АИС, предназначенные для построения бытовой аппаратуры. Однако, несмотря на различия используемой элементной базы, функционального назначения и технологии изготовления, ос­новой большинства из них является схемотехника дифференциальных усилите­лей. Дифференциальный усилитель в настоящее время, по существу, является основным схемотехническим элементом современной интегральной аналоговой электроники. Именно по этой причине интегральные усилители постоянного тока являются наиболее массовым типом АИС.

Остановимся на особенностях построения и функционирования наиболее рас­пространенной АИС — операционном усилителе.

Операционный усилитель (ОУ) — это унифицированный многокаскадный уси­литель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электри­ческим параметрам: К_u ; Rвх ; Rвых 0; в .

История названия ОУ связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой 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.

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате дости­жений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле.

Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента элек­тронных схем подобно диоду, транзистору и т. п. Следует отметить, что на прак­тике ни одно из перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ не может быть удовлетворено полностью, так как между выполнением от­дельных требований существуют противоречия, которые нетрудно понять на ос­нове ранее проведенного анализа работы усилителей на дискретных элементах.

Рисунок 6.31 – Операционный усилитель: а – условно – графическое обозначение; б – схема включения

Условное обозначение ОУ показано на рисунке 6.31. Это треугольник, у которого на стороне основания показаны два входа, а справа, в вершине — выход.

Вход со знаком «+» является неинвертирующим, то есть при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается неизменной.

Вход со знаком «-» является инвертирующим, то есть при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность изменяется на противоположную.

На боковых сторонах треугольника расположены выводы подключения ис­точников питания.

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала.

Однако ОУ специально создан для использования в схемах с глубокой ОС так, чтобы параметры устройства преимущественно определялись параметрами цепи ОС, а сам ОУ должен быть функционально незаменим. Такой ОУ по своим свойствам приближается к идеальному.

На практике ни один из параметров идеального ОУ не может быть реализо­ван, однако к этому можно приблизиться с достаточной точностью.

В большинстве случаев ОУ используется с обратной связью. Применение ООС позволяет: увеличить входное сопротивление R_BX, уменьшить Rвых; уменьшить искажения; увеличить стабильность и точность, с которой задается коэффици­ент усиления.

Если ОУ охвачен положительной ОС, то может возникнуть самовозбуждение автоколебаний: усилитель превратится в генератор, и все параметры ОУ ухуд­шатся.

Практическое использование ОУ часто не требует знания внутренней структу­ры усилителя. Изучение принципа действия основных функциональных и схемо­технических особенностей узлов позволяет определить предельные технические возможности ОУ и корректировать его характеристики и параметры с помощью внешних устройств.

ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционный усилитель является сложным электронным устройством, правиль­ное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и зна­ния основных параметров. Ниже приводятся основные параметры ОУ, характе­ризующие его работу.

Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвав­шему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии об­ратной связи (составляет 10³-10⁷) и определяется при холостом ходе на выходе:

(6.10)

Напряжение смещения пуля U_CM показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить U_ВЫХ = 0 (составляет 0,5-0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмит­тер-база входных транзисторов.

Входной ток I_вх определяется нормальным режимом работы входного диффе­ренциального каскада на биполярных транзисторах. Это ток базы входного тран­зистора ДУ. Если же в дифференциальном каскаде используются полевые МДП-транзисторы, то это токи утечек.

При подключении ко входам ОУ источников сигнала с разными внутренни­ми сопротивлениями создаются различные падения напряжений на этих сопро­тивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал изменя­ет входное напряжение. Для его уменьшения сопротивления источников сигнала должны быть одинаковыми.

Разность входных токов I_вх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ при заданном значении выходного напряжения, и составляет 0,1-200 нА.

Входное сопротивление Rвх (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. Оно определяется для области низких частот. В зави­симости от характера подаваемого сигнала входное сопротивление бывает диф­ференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (для синфазного сигнала).

Дифференциальное входное сопротивление — это полное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом; составля­ет десятки килоом — сотни мегаом. Такое большое i?_I!X получается за счет вход­ного ДУ.

Синфазное входное сопротивление — это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении к входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше Rвх.диф,

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс определяется как отноше­ние напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференци­альному входному напряжению, вызывающему такое же значение выходного на­пряжения. Коэффициент ослабления показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфаз­ного входного сигнала, и составляет 60-120 дБ:

(6.11)

Выходное сопротивление Rвых определяется отношением приращения выход­ного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при за­данном значении частоты сигнала и составляет единицы-сотни Ом.

Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максималь­ного изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температу­ры и оценивается в мкВ/град:

(6.12)

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств ОУ.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное на­пряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напря­жения питания на 1 В и оценивается в мкВ/В.

Максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ тах} определяется предельным значе­ние выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напря­жении входного сигнала, обеспечивающем стабильную работу ОУ. Uвых.max на 1-5 В ниже напряжения питания.

Максимальный выходной ток I_{вых тах} ограничивается допустимым коллектор­ным током выходного каскада ОУ.

Потребляемая мощность — мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

Частота единичного усиления ₁ — это частота входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ равен единице:

К(₁)=1. (6.13)

У интегральных ОУ частота единичного усиления достигает значения 1000 МГц.

Частота среза _с ОУ — частота, на которой коэффициент усиления сни­жается в раз. Она определяет полосу пропускания ОУ и составляет десят­ки мегагерц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения v_{Uвых. max} определя­ется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения О У при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой, равной максималь­ному значению входного напряжения, и лежит в пределах 0,1-100 В/мкс. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ. Он характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

Время установления выходного напряжения t_ycт (время затухания переходно­го процесса) — это время, необходимое для возвращения усилителя из состоя­ния насыщения по выходу в линейный режим.

Это время, в течение которого после скачка входного напряжения выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности Uвых.

За время t_уст выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряже­ния прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установивше­гося значения.

Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значени­ем напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом со­противлении источника сигнала, деленным на коэффициент усиления ОУ. Спект­ральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приве­денного напряжения шума, деленного на частоту, в которой выполнено измерение

напряжения шума. Размерность данного параметра мВ/л/Гц. В технических усло­виях на ОУ иногда задают коэффициент шума в децибелах, определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R_r, к мощности шума активного сопротивления:

(6.14)

(6.15)

где Uш — приведенное напряжение шумов при Rг = 0; 4kTRг — спектральная плот­ность теплового шума резистора.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению.

Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых опти­мизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других. Так, в изме­рительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напря­жением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой поло­сой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Та­кие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных уст­ройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных зна­чений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по сово­купности их параметров: универсальные, или общего применения; прецизион­ные, или инструментальные; быстродействующие; микромощные. Приведем срав­нительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ОУ

Используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они харак­теризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным парамет­рам уступают операционным усилителям общего применения. Некоторые пара­метры широкополосных ОУ приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Параметры широкополосных операционных усилителей

Тип ОУ	f1, МГц	vUвых.max, В/мкс	tуст, мкс	Iвых.max, мА	Rн.min, кОм	Iпот, мА	Uсм,мВ	Примечание
К140УД10	15	30	1	-	2	10	4	tуст до 0,1%
К140УД11	15	30	-	8	2	8	5	-
К544УД2	15	20	25	15	2	7	10	tуст до 0,05%
К1407УД1	10	10	-	5	-	10	10	Iупр=0, 9мА

ПРЕЦИЗИОННЫЕ (ВЫСОКОТОЧНЫЕ) ОУ

Используются для усиления малых электрических сигналов (в составе измери­тельных приборов), сопровождаемых высоким уровнем помех, и характеризу­ются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, боль­шим R_ux и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродейст­вие. Параметры некоторых прецизионных ОУ приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 – Параметры прецизионных операционных усилителей

Тип ОУ	Uсм,мкВ	Uсм/Т, мкВ/0С	КUo, тыс.	Iвх, нА	f1, МГц	vUвых.max, В/мкс
К140УД13	70	0,5	0,007	1,0	0,006	-
К140УД21	70	0,5	1000	1,1	1,0	1,5
К140УД25	30	0,6	1000	40	3,0	1,7
К140УД26	30	0,6	1000	40	20	11

ОУ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

Используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приве­денную погрешность на уровне 1 %. Характеризуются относительно малой стои­мостью и средним уровнем параметров. Наиболее важные параметры этих опе­рационных усилителей приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3 – Параметры операционных усилителей общего применения

Тип ОУ	Uсм,мВ	Uсм/Т, мкВ/0С	КUo, тыс.	Iвх, нА	f1, МГц	vUвых.max, В/мкс
К140УД1	7	20	8	7000	8	0,4
К140УД8	20	50	50	0,2	1	10
К140УД22	10	20	50	0,2	5*	7,5
К153УД1	5	20	20	600	1	0,06
К157УД4	5	50	50	300	1	0,5
К533УД1	2	20	15	200	1	0,2
К1401УД6*	5	-	25	250	1**	-
*ОУ + компаратор; ** типовое значение

ОУ С МАЛЫМ ВХОДНЫМ ТОКОМ

Это в основном усилители с входным каскадом, построенным на полевых тран­зисторах. Входной ток I_вх  100 пА. Некоторые параметры таких ОУ приведены в таблица 6.4.

Таблица 6.4 – параметры операционных усилителей с малым входным током

Тип ОУ	Iвх, пА	Uсм,мВ	Uсм/Т, мкВ/0С	КUo, тыс.	f1, МГц	vUвых.max, В/мкс
К140УД24	10	0,005	0,05	1000	0,8	2,0
К544УД1	50	15	20	100	1,0	5,0
К1409УД1	50	15	100	20	4,5	4,5
К1429УД1	50	15	-	10	-	-

МОЩНЫЕ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ОУ

Усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Например: К157УД1, К1040УД2.

Их основные параметры: выходной ток Iвых  100 мА; выходное напряжение Uвых  15 В.

МИКРОМОЩНЫЕ ОУ

Необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (пе­реносные приборы с автономным питанием, приборы, работающие в ждущем ре­жиме). Ток потребления Iпот.max  1 мА. Это такие усилители, как К140УД14, 28. К153УД4 и др.

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ОУ

Имеют параметры, аналогичные усилителям общего применения или микромощ­ным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Они служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры. Западные фирмы выпускают сдвоенные преци­зионные и быстродействующие усилители. Примером могут быть: К140УД20, К157УД2, К574УД2, К1040УД1 и др.

ВЫВОДЫ:

1. Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых функ­ций. В каждом конкретном случае выбирают тот тип ОУ, у которого парамет­ры в наибольшей степени удовлетворяют предъявленным требованиям.

2. В связи с тем, что существует определенное противоречие в получении не­скольких групп оптимальных параметров ОУ, приходится изготовлять ОУ специального назначения. Например, высокочастотные ОУ с широкой поло­сой пропускания, большой скоростью нарастания выходного напряжения и т. д. Однако в этом случае трудно получить ОУ с минимальными погрешно­стями на выходе. В других случаях добиваются наибольшей точности пара­метров. Такие ОУ получили название прецизионных (высокоточных).

3. Имеются ОУ общего применения — универсальные, многофункциональные, которые больше всего применяют в аппаратуре связи.

АМПЛИТУДНО - И ФАЗОЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННОГО

УСИЛИТЕЛЯ

Частотные свойства ОУ описываются его амплитудно-частотной характеристи­кой. Хотя коэффициент усиления каждого усилителя в некоторой полосе частот почти постоянен, однако ни один усилитель не имеет постоянного усиления во всем частотном диапазоне. В связи с этим АЧХ ОУ определяет устойчивость ра­боты всего устройства. Так как все каскады ОУ имеют гальваническую связь, то АЧХ операционного усилителя не имеет спада коэффициента усиления в диапа­зоне низких частот, а только в диапазоне высоких частот. Этот спад обусловлен наличием распределенной емкости монтажа усилителя и емкости переходов транзисторов. С ростом частоты емкостное сопротивление ОУ падает, возникает емкостная составляющая сопротивления сигнала, что приводит к уменьшению переменного сигнала в нагрузке и коэффициента усиления. Коэффициент усиле­ния ОУ на низких и средних частотах определяется следующим выражением:

(6.16)

где К_U оу — коэффициент усиления ОУ без обратной связи на низких частотах; f — рабочая частота; f_с— частота среза (сопряжения, граничная), на которой ко­эффициент усиления уменьшается в раз или на 3 дБ.

Если Rн » Rвых, то

где С — сумма паразитной емкости монтажа и емкости переходов транзисторов.

Для удобства, наглядности и компактности при построении АЧХ коэффици­ент усиления измеряют в децибелах, а частоту откладывают в логарифмическом масштабе. Такую АЧХ ОУ принято называть логарифмической амплитудно-ча­стотной характеристикой (ЛАЧХ), а выражение (16.6) для ЛАЧХ представля­ется в виде:

(16.17)

В диапазоне низких и средних частот ЛАЧХ представляет собой прямую ли­нию, параллельную оси частот. С ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления падает, начинает проявляться влияние паразитной емкости. Уменьше­ние коэффициента усиления с ростом частоты называют спадом. Спад принято выражать в децибелах на октаву или в децибелах на декаду. Октавой называется изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 2 раза. Декадой называется десятикратное увеличение или уменьшение частоты.

Рассмотрим спад ЛАЧХ при изменении частоты в высокочастотном диапазо­не, причем f₂ >f₁ >f_с. Изменение коэффициента усиления будет равно:

(6.18)

Рисунок 6.32 – Характеристики ОУ: а – логарифмическая АЧХ; б – логарифмическая ФЧХ

Если f2 = 10f1, то КU= 201g (0,1) = -20 дБ. Следовательно, коэффициент усиления уменьшается на 20 дБ, то есть в 10 раз. При f2 = 2ft имеем КU =20lg (1/2)=-6дБ. Таким образом, спад 20 дБ/дек со­ответствует спаду коэффициента усиле­ния 6 дБ/окт. На рисунке 6.31, а представ­лена ЛАЧХ, соответствующая функции (6.18). Реальная ЛАЧХ ОУ (штриховая ли­ния) несколько отличается от теорети­ческой характеристики. Разница между ними на частоте среза составляет около 3 дБ. Однако для удобства анализа ча­стотных свойств ОУ аппроксимируют АЧХ прямолинейными отрезками. Кусочно-линейную аппроксимацию амплитудно- и фазочастотных характе­ристик называют диаграммами Боде.

Рисунок 6.33 – Передаточная характеристика ОУ

Фазочастотная характеристика, со­ответствующая функции (6.16), описы­вается выражением: (6.19) и представлена на рисунке 6.31, б. Она показывает зависимость от ча­стоты фазового сдвига выходного сигна­ла относительно входного. Для постро­ения ФЧХ используется логарифмиче­ский масштаб по оси частот. Реальная логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ) отличается от аппроксимированной незначительно, и максимальная погрешность со­ставляет не более 6°. На частоте среза фазовый сдвиг составляет 45°, а на частоте 10/с (единичного усиления) сдвиг не превышает 90°.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представляют собой две кривые, соответствующие инвертирующему и неинвертирующему входам (рисунок 6.32). Режимам открытого или закрытого выходного каскада ОУ соответствуют гори­зонтальные участки характеристики Uвых _min и Uвых.max, близкие к напряжению источников питания.

Наклонный участок кривых соответствует зависимости Uвых =(U_BX), угол на­клона соответствует коэффициенту усиления по напряжению.

СХЕМА СДВИГА УРОВНЯ

Усилители на ИМС, собранные по схеме с непосредственной связью между кас­кадами, по существу, являются УПТ и должны обеспечить в отсутствие сигнала на входе нулевые напряжения на выходе. В то же время постоянное коллектор­ное напряжение на транзисторе предыдущего каскада подается на вход следу­ющего каскада в виде прямого смещения. Это является причиной появления эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе следующего каскада.

В принципе, проблема может быть решена включением резистора с большим сопротивлением в цепи эмиттера последующего каскада.

Падение напряжения по постоянному току на этом резисторе является, как известно, обратным смещением для эмиттерного ри-перехода, и оно может ском­пенсировать прямое смещение на переходе за счет коллекторного напряжения предыдущего каскада.

Недостаток метода в том, что за счет падения напряжения переменной со­ставляющей на этом резисторе создается ООС, снижающая усиление каскада. Поэтому во многих усилительных ИМС применяют специальные схемы сдвига уровня.

Таким образом, назначение схем сдвига уровня — компенсация постоянного напряжения предыдущего каскада при непосредственной связи между каскада­ми. При этом схема сдвига уровня должна быть построена так, чтобы перемен­ную составляющую, то есть полезный сигнал, передать на следующий каскад без ослабления.

Схема сдвига уровня строится по принципу делителя напряжения. При этом верхнее плечо делителя должно иметь максимальное сопротивление для посто­янного тока, с тем, чтобы коэффициент передачи по постоянному току был близ­ким к нулю, но в то же время минимальное сопротивление для сигнала перемен­ного тока, чтобы коэффициент передачи делителя по переменному току был близким к единице.

Рисунок 6.33 – Схема сдвига уровня

В основу построения схем сдвига уровня берется эмиттерный повторитель, который позволяет успешно решать поставленные задачи. Имея коэффициент передачи переменной составляющей около единицы, ЭП может сдвинуть уро­вень напряжения на определенную величину. Для стабилизации тока эмиттера IЭ обычно в качестве нагрузки ЭП берется схема ГСТ. Рассмотрим схему сдвига уровня (рисунок 6.33). Эмиттерный повторитель собран на транзисторе VT1. В нагрузке включен де­литель напряжения, собранный на резисторе R, и ГСТ — на транзисторах VТ2 и VT3.

Так как выходное сопротивление ГСТ составляет сотни килоом, а сопро­тивление резистора R — единицы или десятки килоом, то фактически потери по­лезного сигнала на резисторе R незначительны. За счет падения напряжения U = IэR создается дополнительный сдвиг уровня напряжения.

Благодаря ГСТ обеспечивается стабильный ток 1_Э. Недостаток данной схе­мы — большое выходное сопротивление за счет сопротивления резистора R, ко­торый создает ООС по току.

Для уменьшения выходного сопротивления ставится дополнительный эмит­терный повторитель.

ИНВЕРТИРУЮЩИЕ УСИЛИТЕЛИ (ИНВЕРТОРЫ)

Источником входного сигнала служит генератор U_BX, который подключается к ин­версному входу ОУ через резистор R_it играющий роль внутреннего сопротивле­ния генератора (рисунок 6.34). Напряжение ОС с выхода ОУ через резистор R_oc также подается на инверсный вход. Прямой вход ОУ заземляется.

Проанализировать изображуннею схему нетрудно, если воспользоватлься вышеизложенными параметрами идеализированного ОУ.

Рисунок 6.34 – Принципиальная схема инвертирующего усилителя

Так как прямой вход заземлен, то и потенциал инвертирующего входа можно считать практически равным потенциалу «земли». Поскольку на самом деле инвертирующий вход ОУ имеет большое Rвх то та­кое состояние можно назвать мнимым заземлением. Равенство нулю потенциала инвертирующего входа означает, что падение напряжения на R1 равно UBX, а падение напряжения на резисторе Roc равно Uвых. Через входную цепь усилителя ток не проходит (RBX.ОУ стремится к беско­нечности), поэтому Iвх = Iос.

Так как I_вх = U_BX/R₁ , а U_вых = -RосIос>, то получаем:

(6.20)

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется отношением а для его расчета не требуется точно знать параметры ОУ, что весьма удобно. Знак «-» в (6.20) означает лишь то, что фаза напряже­ния на выходе усилителя противоположна фазе входного напряжения.

Максимальный коэффициент усиления зависит от предельно допустимого значения сопротивления резистора Rос, которое определяется из условия ли­нейности режима ОУ (| [U_вых | < Е). С учетом формулы для коэффициента уси­ления получим следующее выражение:

Основной недостаток инвертора состоит в том, что он имеет малое входное сопротивление R_BX = R_it а в усилителях с большим коэффициентом усиления ве­личина R₁ обычно небольшая. Этот недостаток устранен в схеме неинвертирующего усилителя.

СЛОЖЕНИЕ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ (СУММАТОР)

Для сложения аналоговых сигналов можно использовать инвертирующий уси­литель, в котором на инвертирующий вход ОУ подается несколько напряжений, подлежащих сложению (рисунок 6.35).

Рисунок 6.35 – Сумматор на ОУ

Снова обратимся к идеализированным характеристикам ОУ, то есть будем считать, что U+ = U- = 0 и входной ток ОУ равен нулю. При этом токи на входе сумматора будут иметь следующие значения: (6.21)

а выходное напряжение:

то есть в рассматриваемом случае U_вых есть инвертированная взвешенная сумма U_{BX 1} и U_{вх 2}, весовые же коэффициенты слагаемых определяются отношением сопротивлений соответствующих резисторов. При R_t = R₂ = R получаем:

(6.22)

а схема, приведенная на рисунке 6.35, превращается в простой сумматор.

Пример. Найти Uвых сумматора, представленного на рисунке 6.35, если U_BX.1 = 2 В; U_Bх.2 - 3 В, а сопротивления всех резисторов одинаковы и равны 10 кОм.

Решение:

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Рисунок 6.36 – Простейшая схема ДУ на ОУ

Во многих практических случаях требуются усилители с дифференциальными входами. Такого типа дифференциальные усилительные устройства легко можно создать на базе ОУ. Простейшая схема усилителя с дифференциальными входами на базе ОУ приведена на рисунке 6.36. Выходное напряжение определяется выражением: (6.23) Недостаток схемы — низкое входное сопротивление. Для его увеличения при­меняют повторители. За счет очень больших входных сопротивлений повторите­лей эта схема практически не потребляет ток от источников сигнала.

ИНТЕГРАТОР И ДИФФЕРЕНЦИАТОР

Рисунок 6.37 – Интегратор

Если в цепь ОС операционного усилителя между выходом и входом подклю­чить конденсатор, то получим схему интегрирующего усилителя (интегратора) (рисунок 6.37). По-прежнему будем рассматривать ОУ как идеальный. А это означает, что потенциалы его инверсного и прямого входов одинаковы, входные же токи равны нулю. В этом случае, как и для инвертирующего усилителя, получаем: Uвх = Ri; Uвых = Uc.

Так как ток через конденсатор и напряжение на нем связаны известным соот­ношением:

то

(6.24)

Знак «-» отражает лишь свойство рассматриваемой схемы изменять фазу вы­ходного напряжения на 180° по сравнению с входным.

Основные трудности в работе такой схемы связаны с медленными измене­ниями уровня постоянного напряжения на входе интегратора и токами утечки конденсатора С. Обе они приводят к ошибкам в интегрировании, которые оказы­ваются особенно значительными в случае больших интервалов интегрирования, измеряемых секундами.

Поэтому в схеме интегратора необходимо использовать высококачественные компоненты, в частности, нельзя применять электролитические конденсаторы, которым присуща большая утечка заряда.

В схемах перед интегратором и после него необходимо иметь высококачест­венные ОУ, обращая особое внимание на неизменность их постоянного выход­ного напряжения и на величину входногб сопротивления.

Рисунок 6.38 – Дифференциатор на ОУ

Если в схеме интегратора поменять местами резистор и конденсатор, полу­чим схему простейшего дифференциатора (рисунок 6.38). Работа дифференциатора анализируется так же, как интегратора: Uвх=Uс; Uвых=Rосi. Поэтому с учетом того, что в конденсаторе получим: (6.25)

Рисунок 6.39 – Усовершенствованная схема дифференциатора

Так как с уменьшением частоты сопротивление конденсатора С увеличива­ется, коэффициент усиления ОУ оказывается неодинаковым на различных ча­стотах (на высоких частотах он много больше, чем на низких). Это приводит к тому, что схема простейшего дифференциатора становится весьма восприим­чивой к случайным высокочастотным помехам. Более того, она часто оказы­вается неустойчивой. Для устранения этого недостатка схему усложняют, вво­дя в нее последовательно с конденсатором низкоомный резистор (сопротивле­ние порядка нескольких десятков ом), что снижает коэффициент усиления ОУ (рисунок 6.39). Кроме этого, добавляют конденсатор Сос, который играет ту же роль, что и Rb — выравнивет частотную характеристику ОУ.

Операционный усилитель используют не только для усиления или выполне­ния разнообразных математических операций (суммирования, дифференцирова­ния, интегрирования и др.), но и в качестве элементов автогенераторов, импульс­ных и измерительных устройств, источников питания и т. д.

КОМПАРАТОР

Компаратор — это устройство, предназначенное для сравнения входного напря­жения с заданным напряжением (опорным), то есть это аналоговая ИС, предназначенная для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в ло­гической форме: больше или меньше.

Компаратор напряжения (рисунок 6.40.) чувствителен к полярности напряже­ния, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень () всякий раз, когда разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим сигнальными входами положи­тельна. И наоборот, если разностное напряжение отрицательно, то выходное на­пряжение компаратора соответствует логическому нулю ().

Это правило записывают следующим образом:

, (6.26)

При рассмотрении типовых характеристик современных ОУ было установ­лено, что если в ОУ без ОС входные напряжения отличаются более чем на 1 мВ, то выходное напряжение достигает насыщения и оказывается равным +Е при U₊ > U- и -Е при U₊ < U-.

Рисунок 6.40 – Компаратор и временные диаграммы его работы

Это ненужное при усилении входных напряжений свойство ОУ оказывается полезным при сравнении напряжений (при построении компараторов). Если ис­пользовать ОУ без ОС (рисунок 6.40), заземлить его инверсный вход, а на прямой вход подать, например, гармоническое напряжение, то при прохождении послед­него через нуль напряжение на выходе ОУ будет скачком изменяться от -Е до +Е и наоборот. Переход Uвых из одного состояния в другое показывает, когда и в каком на­правлении Uвх пересекает опорный уровень напряжения.

Опорное напряжение можно подавать и на прямой вход. При этом работа компаратора принципиально не изменится, меняется только полярность выходного напряжения.

Промышленностью выпускается большое число специально спроектирован­ных устройств (компараторов):

• общего применения (К521СА2, К521СА5, К554СА2);

• прецизионные (К521САЗ, К597САЗ);

• быстродействующие (К597СА1, К597СА2);

• специализированные (К521СА1, К521СА4, К1121СА1).

Основными параметрами компараторов являются: чувствительность; точ­ность, с которой компаратор может различить входной и опорный сигнал, быст­родействие; нагрузочная способность.

Компараторы используются в самых различных областях: для сравнения уровня сигнала с пороговым значением; для получения прямоугольных сигналов из треугольных; в усилителях класса D; при импульсно-кодовой модуляции; для переключения источников питания и т. д.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АКТИВНЫХ ЯС-ФИЛЬТРАХ

ARC-фильтры (активные RC-фильтры) — это фильтры, использующие для фор­мирования частотной характеристики заданного вида как пассивные (в основ­ном R и С), так и активные (усилительные) элементы.

Применение усилительных элементов выгодно отличает активные фильтры от фильтров на пассивных элементах. К преимуществам активных фильтров в пер­вую очередь следует отнести:

• способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания;

• возможность отказаться от применения таких нетехнологичных элементов, как индуктивности, использование которых несовместимо с методами интеграль­ной технологии;

• легкость настройки;

• малые масса и объем, которые слабо зависят от полосы пропускания, что осо­бенно важно при разработке устройств, работающих в низкочастотной области;

• простота каскадного включения при построении фильтров высоких порядков.

Вместе с тем данному классу устройств свойственны недостатки, в некоторой степени ограничивающие область их применения: невозможность использования в силовых цепях, например, в качестве фильтров выпрямителя; необходимость источника, предназначенного для питания усилителя; ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами используемых усилителей.

Несмотря на перечисленные недостатки, АRC - фильтры находят широкое при­менение в аппаратуре связи. Существует большое количество схемных реализа­ций ЛйС-фильтров. Среди них большое применение получили звенья, содержа­щие ОУ.

Частотный диапазон, в котором могут использоваться АRС - фильтры, опреде­ляется частотными свойствами используемых усилителей. Быстрое совершенст­вование технологии производства и качества ОУ, снижение потребляемой ими мощности и уровня собственных шумов обусловливает преимущественное при­менение ЛЯС-фильтров в перспективной аппаратуре.

В аппаратуре связи применяют ARС – фильтры различных порядков. Так, если для фильтра 1-го порядка скорость спада АЧХ составляет 20 дБ/дек, то для фильтра 2-го порядка — 40 дБ/дек, а для 3-го порядка — 60 дБ/дек и т. д. Таким образом, с увеличением частоты в 10 раз коэффициент усиления К_U уменьшает­ся на 20 дБ.

На каждый порядок фильтра в реальной схеме ARC-фильтра обычно прихо­дится один конденсатор.

При практической реализации ARC - филътра следует помнить, что возраста­ние порядка фильтра приближает его АЧХ к идеальной, но при этом затрудняет­ся настройка фильтра и ухудшается стабильность его параметров. Максималь­ная добротность ARС - фильтра в области НЧ обычно не превышает 100.

Широко применяются ARС - фильтры на основе источника напряжения, управ­ляемого напряжением (ИНУН).

На рисунке 6.41 приведена принципиальная схема простейшего активного ФНЧ на ИНУН 1-го

порядка.

Такой ARС - фильтр состоит из пассивного RС-фильтра и изолирующего (бу­ферного) каскада на ОУ с большим R_BX и малым Rвых.

В полосе пропускания коэффициент передачи фильтра К_Uo = 1, а спад его со­ставляет 20 дБ/дек (как в однозвенной RC-цепи).

Преимущество фильтра на ИНУН состоит в отсутствии влияния нагрузки на его АЧХ, что обеспечивает постоянство параметров фильтра при изменении R_ir

В активных фильтрах более высоких порядков ИНУН (ОУ) охватывается ча­стотно-избирательной положительной ОС.

Рисунок 6.41 – Принципиальная схема простейшего ФНЧ на ИНУН 1-го порядка

Для получения ARС-фильтров более высоких порядков следует использовать последовательное включение фильтров 1-го и 2-го порядков. Так, последователь­ное (каскадное) включение фильтров 1-го и 2-го порядков дает фильтр 3-го по­рядка, последовательное включение двух фильтров 2-го порядка - фильтр 4-го по­рядка, и т. д. Помимо ФНЧ и ФВЧ на ИНУН могут быть выполнены полосозаграждающие и полосопропускащие ARС - фильтры. На рисунке 6.42, а приведена принципи­альная схема полосопропускающего активного фильтра с мостом Вина.

Здесь мост Вина (рисунок 6.42, б), состоящий из резисторов R_{, R₂ и конденсато­ров С), С₂, включен в цепь ПОС ОУ. При частоте сигнала, равной ₀, по цепи ПОС поступает на вход ОУ максимальное напряжение обратной связи. Следова­тельно, на этой частоте имеет место максимальное Uвых. При отклонении частоты сигнала от ₀ напряжение ПОС будет уменьшаться. В результате Uвых ARC - филътра будет становиться меньше и сформируется АЧХ, показанная на рисунке 6.42, в.

Для успешного функционирования рассматриваемого фильтра необходимо, чтобы глубина ООС была больше глубины ПОС. Таким образом, серьезным не­достатком полосопропускающего ARС - фильтра с мостом Вина является возмож­ность самовозбуждения, что вообще свойственно устройствам с ПОС.

Как и фильтры на пассивных элементах, активные фильтры классифициру­ются на:

• фильтры нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотой от  до некоторого ср;

• фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы с частотой от =ср до ;

• полосовые фильтры (ПФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от ₁ =до₂;

• режекторные (заградительные) фильтры — не пропускающие сигналы в узком диапазоне частот от ₁ =до_2.

Рисунок 6.42 – принципиальная схема полосопропускающего активного фильтра с мостом Вина

Следует отметить, что основным параметром фильтра является его полоса про­пускания. Как и в усилителях, она определяется по уровню падения коэффици­ента передачи в 1,41 раза (на 3 дБ). Для решения конкретных задач в настоящее время разработано множество разнообразных ARС - фильтров. Наиболее известными из них являются фильтры Чебышева, Баттерворта и Бесселя. В отличие от пассивных ARС - фильтры обеспечивают более качественное раз­деление полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно ре­гулировать неравномерности ЧХ в области пропускания и затухания, не предъ­является жестких требований к согласованию нагрузки с фильтром.

Все эти преимущества активных фильтров обеспечили им самое широкое применение.

ВЫВОДЫ:

1. Основные узлы, построенные на базе ОУ, в настоящее время находят широ­кое применение при разработке различных аналоговых и импульсных элект­ронных устройств. Объясняется это тем, что, введя в цепи прямой и обратной передачи его (ОУ) различные линейные и нелинейные устройства, можно на­правленно синтезировать узлы с требуемым алгоритмом преобразования вход­ного сигнала.

2. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь норми­рованную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определен­ные требования. Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляе­мому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что: R_BX должно быть равно бесконечности (следовательно, входной ток равен нулю); R_вых должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение; частотный диапазон должен прости­раться от постоянного напряжения до очень высокой частоты.

3. В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реа­лизации разнообразных устройств электроники различного назначения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Каковы основные требования, предъявляемые к ОУ?

2. Чем отличаются передаточные характеристики ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам?

3. Каковы пути повышения входного сопротивления ОУ?

4. Как добиваются получения минимального выходного сопротивления ОУ?

5. Какой вид имеет ЛАЧХ стандартного ОУ?

6. Какова природа протекания входного тока ОУ?

7. Зачем во входном каскаде ОУ используют ДУ?

8. Что такое частота единичного усиления ОУ?

9. Объясните, с какой целью в ОУ используют схемы ГСТ и сдвига уровня.

10. С чем связаны ошибки интегрирования сигнала в ОУ?

11. Объясните схемы реализации инвертора, интегратора и сумматора на базе ОУ.

12. Поясните основные достоинства ARС-фильтров.

13. Как соотносится порядок ARC - филътра. со спадом ЛАЧХ ОУ?