37. Оу как активный элемент мэу. Типы оу и их отличительные особенности. Меры предосторожности и полезные советы при использовании оу

ОУ как активный элемент МЭУ

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения - выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия.

Необходимо отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению ( ), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

На рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ - упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.

Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:

 напряжение смещения нуля ;

 температурная чувствительность напряжения смещения нуля ;

 ток смещения ;

 средний входной ток .

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным и выходным сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток и минимальное сопротивление нагрузки , а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной. Упрощенные эквивалентные схемы входной и выходной цепи ОУ представлены на рисунке

Типы операционных усилителей и их отличительные особенности

Существующие ОУ условно могут быть проклассифицированы на несколько групп.

Стандартные или общего применения ОУ позволяют реализовать РЭА с результирующей погрешностью на уровне примерно±1%. К таким ОУ можно отнести: К140УД8, 140УД9, 153УД6.

Прецизионные(измерительные) ОУ отличаются высоким значением коэффициента передачи на постоянном токе Ко (несколько сотен тысяч), и

малыми величинами дрейфовых параметров. Они позволяют реализовать РЭА с погрешностью около±0,1%. При проектировании данных ОУ разработчики стремились к упрощению схем включения без навесных элементов. Высокие технические характеристики достигнуты за счет использования биполярных транзисторов с коэффициентом передачи тока в несколько тысяч(супербетатранзисторы), токи утечки которых соизмеримы с токами затвора полевого транзистора.

Быстродействующие или сверхскоростные ОУ характеризуются высоким значением скорости нарастания выходного напряжения ρ (несколько десятков вольт за микросекунду), достаточно большой частотой единичного усиления fт и предназначаются для построения широкополосных устройств и аналого-цифровых преобразователей(АЦП). ОУ типа140УД11 имеет ρ=50 В/мкс, fт=15 МГц. Широкополосность достигнута за счет использования высокочастотного канала. При проектировании таких ОУ необходимо всеми возможными средствами

уменьшать паразитные емкости, снижать амплитуду выходного напряжения до допустимого уровня, повышать качество источников питания, расширять полосу пропускания. Например, быстродействие ОУ К154УД3 повышено до80 В/мкс за счет увеличения тока питания и уменьшения до одного числа каскадов усиления напряжения.

Микромощные ОУ отличаются существенным снижением потребляемой мощности от источника питания. Ток потребления ОУ типа 153УД4 составляет0,28...0,7 мА. Микромощный ОУ140УД12 позволяет с помощью внешней электрической цепи программировать ток режима дифференциального усиления(I0) в пределах1,5...15 мкА, причем напряжение источника питания Eп может изменяться в интервале от±1,5 В до±18 В.

Многоканальные ОУ содержат в одном корпусе от двух до шести одинаковых ОУ. Предназначаются для использования в активных фильтрах, сумматорах, интеграторах, а также в системах сбора данных (ССД), АЦП и других устройствах. ОУ140УД20 имеет два идентичных усилителя. К1401УД1 – четырехканальный, работающий от общих шин питания. ОУ типа К157УД2 – двухканальный с низким уровнем собственных шумов, с защитой от случайных коротких замыканий

используется в низкочастотной стереофонической аппаратуре.

Мощные ОУ отличаются повышенной выходной мощностью и предназначаются в основном для устройств автоматического управления. Такие ОУ допускают применение теплоотвода. Например, универсальный ОУ средней мощности типа К157УД1 предназначен для использования в аппаратуре магнитной записи и воспроизведения звука. С внешним теплоотводом он позволяет рассеивать мощность Ррас.макс=1 Вт. Высоковольтный ОУ К1408УД1 питается от источников питания с напряжением±27 В и обеспечивает амплитуду выходного напряжения до 19 В при токе в нагрузке до100 мА.

Гибридные ОУ, позволяющие использовать биполярные и полевые структуры, высококачественные, малошумящие и высоковольтные активные приборы, могут быть реализованы с весьма высокими техническими характеристиками. Особенностью является также и то, что пассивная часть этих ОУ может выполняться с помощью толсто- или тонкопленочной технологии, при этом существенно упрощается схемотехника ОУ. Для реализации предельных возможностей ОУ необходимо обращать внимание на качество источников питания. Дифференциальные ОУ типа К284УД1 выполнены на подобранной паре

полевых транзисторов и предназначены для использования в измерительной технике, автоматике и других устройствах РЭА.

Меры предосторожности и полезные советы при использовании

операционных усилителей

При использовании ОУ необходимо соблюдать следующие меры

предосторожности.

Чувствительные входы ОУ желательно закорачивать защитными диодами(рис. 2.18), что исключает влияние возможных перенапряжений.

Проектируя печатную плату, рекомендуется высокочувствительные входы ОУ охватывать кольцом, которое следует соединить с общей шиной или выходом повторителя сигнала. Это позволяет снизить уровень возможных утечек по плате от других цепей. Монтаж всех точек, которые должны быть заземлены, желательно

выполнять по схеме звезды. При экспериментах с ОУ необходимо выключать питание после отключения источника сигнала. В противном случае при снятии питания бездействует цепь ООС, в схеме возникают перенапряжения, которые

могут вывести ОУ из строя. При каскадном включении нескольких ОУ, охваченных общей ООС, требуется дополнительная внешняя коррекция АЧХ, даже если каждый в

отдельности ОУ полностью внутренне скорректирован. Это связано с тем, что фаза сигналов изменится раньше, чем снизится коэффициент передачи схемы.

Два источника питания иногда оказываются невыгодными, в особенности при питании от батарей, одна из которых разрядилась, и появилось смещение нуля. С этой целью можно рекомендовать схему питания от одного источника(рис. 2.19), преобразующую напряжение Еп незаземленного источника в заземленное двухполярное напряжение Данная схема(рис. 2.19) рассчитана на ток нагрузки не более20 мА. При больших токах необходимо дополнительно включать более мощные повторители напряжений.