Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которогоблизки к характеристикам так называемого “идеального усилителя". ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К = 10 4 - 10 6), большое входное (R вх = 0.1-100 МОм) и малое выходное (R вх = 10-100 Ом) сопротивления.

В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1-10 3 , но одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает R вх.ус и уменьшается R вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так какувеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.

ОУ (рис 15.1.) содержит в качестве первого каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления для разности входных сигналов U 2 - U 1 и низкий коэффициент усиления для синфазных сигналов, т.е. одинаковых сигналов, поданных одновременно на оба входа. Это позволяет уменьшить чувствительность к синфазным сигналам (внешним помехам) и напряжение сдвига, определяемое неидентичностью плеч ОУ.

Рис.15.1. Внутренняя структура операционного усилителя.

За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают необходимое усиление по напряжению и по току.

Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.

Основные параметры операционных усилителей

1. К - собственный коэффициент усиления ОУ (без обратной связи).

2. U сдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно U сдв имеет значение 10 - 100 мВ.

3. I см - Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. I сдв - Входной ток сдвига (). Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. .

5. R вх - Входное сопротивление. Как правило, R вх имеет значение до 1-10 мегаом.

6. R вых - Выходное сопротивление. Обычно R вых не превосходит сотен Ом.

7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. - Напряжение питания.

12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

ОУ имеет несколько вариантов схем включения, которые значительно отличаются по своим характеристикам.

Для анализа работы и расчета характеристик различных схем включения ОУ далее необходимо помнить, что, исходя из свойств ДУ:

1. Разность напряжений между входами ОУ очень мала и может быть принята равной нулю.

2. Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому потребляет очень небольшой входной ток (до 10 nA).

Основные схемы включения ОУ

В инвертирующем усилителе (рис.15.2.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если U вх, положительное то напряжение в точке А, а значит и U д, также станет положительным, а U вых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины U д = U вых / К ≈ 0.

Точку А часто называют виртуальной землей , потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как U д, как правило, весьма мало

Рис. 15.2. Инвертирующий усилитель на ОУ

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, учтем, что , т.к.R вх усилителя весьма велико. Так как и , то .

Полагая U д = 0 (так как К → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение К ос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R 1 .. Сопротивление R 1 должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ (рис.15.3) с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R 1 и R ос.

Как и ранее, считаем, что , поскольку R вх → ∞.

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно, поэтому

15.3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Следовательно, .

Так как U вых = U д · К и U д =U вых / К, при К → ∞ и U д ≈ 0, можно написать, что . Решая уравнение , получим выражение для коэффициента усиления с замкнутой обратной связью K ос , (15.3)

которое справедливо при условии К » K ос.

В схеме повторителя напряжения на ОУ (рис.15.4) U вых обратная связь поступает с выхода усилителя на инвертирующий вход. Так как усиливается разность напряжения на входах ОУ - U д, то можно увидеть, что напряжение на выходе усилителя U вых = U д · К.

Рис.15.4. Повторитель напряжения на ОУ

Выходное напряжение ОУ U вых = U вх + U д. Так как U вых = U д · К, получим, что U д = U вых /К. Следовательно, . Так как К велико (К → ∞), то U вых /К стремится к нулю, и в результате получаем равенство U вх = U вых.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель может служить хорошим согласующим каскадом.

Усилитель с дифференциальным входом имеет два входа, причем инвертирующий и неинвертирующий входы находятся под одинаковым напряжением, в данном случае равным U ос, так как разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами очень мала (обычно меньше 1мВ),.

Рис. 15.5. Усилитель с дифференциальным входом

Если задать U 1 равным нулю и подать входной сигнал по входу U 2 , то усилитель будет действовать как неинвертирующий усилитель, у которого входное напряжение снимается с делителя, образованного резисторами R 2 и R? ос. Если оба напряжения U 1 и U 2 подаются на соответствующие входы одновременно, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что напряжение в точке соединения резисторов R 1 и R ос станет равным U ос, где .

Вследствие того, что усилитель имеет очень высокое входное сопротивление,

Решая полученное уравнение относительно U вых, имеем:

Подставляя выражение для U ос, получим:

Если положить R 1 = R 2 и R oc = R´ oc (ситуация, которая наиболее часто встречается), получим . Полярность выходного напряжения определяется большим из напряжений U 1 и U 2 .

Очевидно, что если U 2 на рис.15.5 равно нулю, то усилитель будет действовать по отношению к U 1 как инвертирующий усилитель.

Входное сопротивление схемы ОУ можно определитьследующим образом. К дифференциальному входному сопротивлению ОУ r д приложено напряжение. U д. Благодаря наличию обратной связи это напряжение имеет малую величину.

U д = U вых /K U = U 1 /(1 + K U b), (15.6)

где b = R 1 /(R 1 + R 2) - коэффициент передачи делителя в цепи обратной связи. Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U 1 /r д (1 + K U b). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря действию обратной связи, умножается на коэффициент 1 + K U b.

Согласно рис. 12, для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

R вх = r д (1 + K U b)||r вх

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10 9 Ом. Следует однако помнить, что речь идет исключительно о дифференциальной величине ; это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно бoльшие значения.

Рис. 15.6. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ.

Выходное сопротивление ОУ операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением:

При подключении нагрузки происходит некоторое снижение выходного напряжения схемы, вызванное падением напряжения на rвых, которое передается на вход усилителя через делитель напряжения R 1 , R 2 . Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует изменение выходного напряжения.

В общем случае выходное сопротивление может иметь достаточно высокое значение (в некоторых случаях от 100 до 1000 Ом. Подключение цепи ОС поволяет уменьшить выходное сопротивление.

Для усилителя, охваченного обратной связью, эта формула принимает вид:

При этом величина U д не остается постоянной, а изменяется на величину

dU д = - dU n = -bdU вых

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет

dU вых = K U dU д - r вых dI вых

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину dU д, получим искомый результат:

Если, например, b = 0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10 раз, а K U = 10 5 , то выходное сопротивление усилителя снизится с 1 кОм до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы пропускания усилителя f п, Гц. На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет увеличиваться, т.к. величина |K U | с ростом частоты будет уменьшаться со скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный характер и на частотах более f т становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.

Динамические параметры ОУ, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания f п, частота единичного усиления f т и время установления t у. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (DU вых < 1В).

Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих парамеров рассмотрены выше. Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |U вых.уст - U вых(t) | = d, где U вых.уст - установившееся значение выходного напряжения, d - допустимая ошибка.

Рабочая полоса частот или полоса пропускания ОУ определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала U вых.макс немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания f р соответствует значению U вых.макс равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении емкости корректирующего конденсатора.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения U п; допустимый диапазон питающих напряжений; ток, потребляемый от источника I пот; максимальный выходной ток I вых.макс; максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании; максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений

Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены между собой по постоянному току гальваническими связями, поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них необходимо анализировать спад коэффициента усиления с возрастанием частоты.

Рис.15.7. АЧХ операционного усилителя

На рис.15.7. показана типичная частотная характеристика операционного усилителя.

Рис. 15.8. Упрощенная эквивалентная схема ОУ

При возрастании частоты емкостное сопротивление падает, что приводит к уменьшению постоянной времени τ = R н* С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой напряжение на выходе U вых окажется меньше, чем КU д.

Выражение для коэффициента усиления К на любойчастоте:

имеет вид , где К - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f - рабочая частота; f 1 - граничная частота или частота при 3 дБ, т.е. частота, на которой К(f) на 3 дБ ниже К, или равен 0,707·А.

Если, как это обычно бывает, R н » R вых, то .

Обычно амплитудно-частотная характеристика дается в общем виде. как:

где f - интересующая нас частота, в то время как f 1 - фиксированная частота, которая называется граничной частотой и является характеристикой конкретного усилителя. С ростом частоты коэффициент усиления по напряжению падает. Кроме того, из выражения для θ видно, что при изменении частоты, фаза выходного сигнала сдвигается относительно фазы входного; - выходной сигнал отстает по фазе от входного.

Добавление отрицательной обратной связи так, например, как это сделано в инвертирующем или неинвертирующем усилителях, увеличивает эффективную полосу пропускания операционного усилителя.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим выражение для коэффициента усиления без обратной связи усилителя со спадом 6дБ / октава (при двукратном увеличении частоты):

Где К(f) - коэффициент усиления без обратной связи на частоте f; А - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах; f 1 - сопрягающая частота. Подставляя это соотношение в выражение для коэффициента усиления при наличии обратной связи , получим

Это выражение можно переписать в виде , где f 1 oc = f 1 (1 + Аβ); K 1 - коэффициент усиления с замкнутой обратной связью на низких частотах; f 1oc - граничная частота при наличии обратной связи.

Граничная частота при наличии обратной связи равна граничной частоте без обратной связи, умноженной на (1 + Кβ) > 1, так что эффективная ширина полосы пропускания действительно увеличивается при использовании обратной связи. Это явление показано на рис.8, где f 1oc > f 1 для усилителя с коэффициентом усиления равным 40 дБ.

Если скорость спада усилителя составляет 6дБ/октава, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания постоянно: Kf 1 = const. Чтобы убедиться в этом, умножим идеальный коэффициент усиления на низких частотах на верхнюю частоту среза того же усилителя при наличии обратной связи.

Тогда получим произведение усиления на полосу пропускания:

Где К - коэффициент усиления без обратной связи на низких частотах.

Если раньше было показано, что для увеличения полосы пропускания с помощью обратной связи следует уменьшить коэффициент усиления, то теперь выведенное соотношение дает возможность узнать, какой частью коэффициента усиления необходимо пожертвовать для получения желаемой полосы пропускания.

Схема замещения операционного усилителя позволяет учитывать влияние неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно представить усилитель полной схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена на рис. 15.9.

Рис. 15.9.. Схема замещения операционного усилителя для малых сигналов

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для дифференциального сигнала r д составляет несколько мегаом, а входное сопротивление для синфазного сигнала r вх несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер. Существенно бoльшие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли наноампер.

Параметры операционных усилителей

Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.

1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 10 3- 10 7) и определяется при холостом ходе на выходе. К = U вых /U вх.д.

2. Напряжение смещения нуля 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.

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

При подключению к 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 одинаковы.

4. Разность входных токов DI вх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ, при заданном значении выходного напряжения, составляет 0,1-200 нА.

5. Входное сопротивление R bx (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. R bx 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 входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм - сотни МОм. Такое большое R bx получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление - это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше R вх диф.

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

С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем лучше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.

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

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

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

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

10. Максимальное выходное напряжение U вых макс определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающим стабильную работу ОУ и искажения не превышающие заданного значения. U вых макс на 1-5 В ниже напряжения питания.

11. Максимальный выходной ток I вых макс ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

12. Потребляемая мощность - мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

13. Частота единичного усиления f 1 - это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f 1)| = l. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.

14. Частота среза f c ОУ - частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.

15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V макс определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной максимальному значению входного напряжения и лежит в пределах 0,1-100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. V макс характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

16. Время установления выходного напряжения t yc т (время затухания переходного процесса) - это время необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.

Время установления - это время в течение которого после скачка входного напряжения, выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности dU вых. За время установления выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

17. 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 полосу частот, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра . В ТУ на ОУ иногда задают коэффициент шума (дБ), определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R г, к мощности шума активного сопротивления

где U ш - приведенное напряжение шумов при R г =0;

4kTR г - 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.

В статье будет рассмотрена стандартная на операционном усилителе, а также приведены примеры различных режимов работы этого прибора. На сегодняшний день ни одно устройство управления не обходится без усилителей. Это поистине универсальные приборы, которые позволяют выполнять различные функции с сигналом. О том, как работает и что конкретно позволяет сделать этот прибор, вы и узнаете далее.

Инвертирующие усилители

Схема инвертирующего усилителя на ОУ достаточно проста, вы ее можете увидеть на изображении. В ее основе находится операционный усилитель (схемы включения его рассмотрены в данной статье). Кроме этого, здесь:

1. На резисторе R1 падение напряжения присутствует, по своему значению оно такое же, как входное.
2. На резисторе R2 также имеется - оно такое же, как выходное.

При этом отношение выходного напряжения к сопротивлению R2 равно по значению отношению входного к R1, но обратно ему по знаку. Зная значения сопротивления и напряжения, можно вычислить коэффициент усиления. Для этого необходимо разделить выходное напряжение на входное. При этом операционный усилитель (схемы включения у него могут быть любыми) может иметь одинаковый коэффициент усиления независимо от типа.

Работа обратной связи

Теперь нужно более детально разобрать один ключевой момент - работу обратной связи. Допустим, на входе имеется некоторое напряжение. Для простоты расчетов примем его значение равным 1 В. Допустим также, что R1=10 кОм, R2=100 кОм.

А теперь предположим, что возникла какая-то непредвиденная ситуация, из-за которой на выходе каскада напряжение установилось на значении 0 В. Далее наблюдается интересная картина - два сопротивления начинают работать в паре, совместно они создают из себя делитель напряжения. На выходе инвертирующего каскада оно поддерживается на уровне 0,91 В. При этом ОУ позволяет фиксировать рассогласование по входам, а на выходе происходит уменьшение напряжения. Поэтому очень просто спроектировать схему на операционных усилителях, реализующую функцию усилителя сигнала от датчика, например.

И продолжаться это изменение будет до той самой поры, покуда не установится на выходе значение стабильное в 10 В. Именно в этот миг на входах операционного усилителя потенциалы окажутся равными. И они будут такими же, как потенциал земли. С другой стороны, если на выходе устройства продолжит уменьшаться напряжение, и оно будет меньше, чем -10 В, на входе потенциал станет ниже, нежели у земли. Следствие этого - на выходе начинает увеличиваться напряжение.

У такой схемы имеется большой недостаток - входной импеданс очень маленький, в особенности у усилителей с большим значением коэффициента усиления по напряжению, в том случае, если цепь обратной связи замкнута. А конструкция, рассмотренная дальше, лишена всех этих недостатков.

Неинвертирующий усилитель

На рисунке приведена схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе. Проанализировав ее, можно сделать несколько выводов:

1. Значение напряжения UA равно входному.
2. С делителя снимается напряжение UA, которое равно отношению произведения выходного напряжения и R1 к сумме сопротивлений R1 и R2.
3. В случае, когда UA по значению равен входному напряжению, коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному (или же можно к отношению сопротивлений R2 и R1 прибавить единицу).

Называется данная конструкция неинвертирующим усилителем, у него практически бесконечный входной импеданс. Например, для операционных усилителей 411 серии его значение - 1012 Ом, минимум. А для операционных усилителей на биполярных полупроводниковых транзисторах, как правило, свыше 108 Ом. А вот выходной импеданс каскада, равно как и в ранее рассмотренной схеме, очень мал - доли ома. И это нужно учитывать, когда производится расчет схем на операционных усилителях.

Схема усилителя переменного тока

Обе схемы, рассмотренные в статье ранее, работают на Но вот если в качестве связи источника входного сигнала и усилителя выступает переменный ток, то придется предусматривать заземление для тока на входе устройства. Причем нужно обратить внимание на то, что значение тока крайне мало по величине.

В том случае, когда происходит усиление сигналов переменного тока, необходимо уменьшать коэффициент усиления сигнала постоянного до единицы. В особенности это актуально для случаев, когда коэффициент усиления по напряжению очень большой. Благодаря этому имеется возможность значительно снизить влияние напряжения сдвига, которое приводится к входу устройства.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Какую схему предпочтительнее использовать

Большинство разработчиков отдают свое предпочтение неинвертирующим усилителям, так как у них очень высокий импеданс на входе. И пренебрегают схемам инвертирующего типа. Зато у последнего имеется огромное преимущество - он не требователен к самому операционному усилителю, который является его «сердцем».

Кроме того, характеристики, на поверку, у него значительно лучше. И с помощью мнимого заземления можно без особого труда все сигналы комбинировать, причем они не будут оказывать друг на друга какое-то влияние. Может использоваться в конструкциях и схема усилителя постоянного тока на операционном усилителе. Все зависит от потребностей.

И самое последнее - случай, если вся схема, рассмотренная здесь, подключается к стабильному выходу другого операционного усилителя. В этом случае значение импеданса на входе не играет существенной роли - хоть 1 кОм, хоть 10, хоть бесконечность. В этом случае первый каскад всегда выполняет свою функцию по отношению к следующему.

Схема повторителя

Работает повторитель на операционном усилителе аналогично эмиттерному, построенному на биполярном транзисторе. И выполняет аналогичные функции. По сути, это неинвертирующий усилитель, в котором у первого резистора сопротивление бесконечно большое, а у второго равно нулю. При этом коэффициент усиления равен единице.

Имеются специальные типы операционных усилителей, которые используются в технике лишь для схем повторителей. У них значительно лучшие характеристики - как правило, это высокое быстродействие. В качестве примера можно привести такие операционные усилители как OPA633, LM310, TL068. Последний имеет корпус, как у транзистора, а также три вывода. Очень часто такие усилители называют просто буферами. Дело в том, что они обладают свойствами изолятора (очень большой входной импеданс и крайне низкий выходной). Примерно по такому принципу строится и схема усилителя тока на операционном усилителе.

Активный режим работы

По сути, это такой режим работы, при котором выходы и входы операционного усилителя не перегружаются. Если на вход схемы подать очень большой сигнал, то на выходе его просто начнет резать по уровню напряжения коллектора или эмиттера. А вот когда на выходе напряжение фиксируется на уровне среза - на входах ОУ напряжение не меняется. При этом размах не может оказаться большим, нежели напряжение питания

Большая часть схем на операционных усилителях рассчитывается таким образом, что этот размах меньше питающего напряжения на 2 В. Но все зависит от того, какая используется конкретно схема усилителя на операционном усилителе. Такое же имеется ограничение на устойчивость на базе операционного усилителя.

Допустим, есть в источнике с плавающей нагрузкой некое падение по напряжению. В случае если ток имеет нормальное направление движения, можно встретить странную на первый взгляд нагрузку. Например, несколько переполюсованных батарей питания. Такая конструкция может применяться для того, чтобы получить прямой ток заряда.

Некоторые предосторожности

Простой усилитель напряжения на операционном усилителе (схема может быть выбрана любая) можно изготовить буквально "на коленке". Но потребуется учитывать некоторые особенности. Обязательно нужно удостовериться, что обратная связь в схеме отрицательная. Это также говорит о том, что недопустимо путать неинвертирующий и инвертирующий входы усилителя. Кроме того, должна присутствовать цепочка обратной связи для постоянного тока. Иначе операционный усилитель начнет быстро переходить в режим насыщения.

У большинства операционных усилителей входное дифференциальное напряжение очень маленькое по значению. При этом максимальная разность неинвертирующего и инвертирующего входов может ограничиваться значением 5 В при любом подключении источника питания. Если пренебречь данным условием, появятся на входе довольно большие значения токов, которые приведут к тому, что все характеристики схемы ухудшатся.

Самое страшное в этом - физическое разрушение самого операционного усилителя. В результате перестает работать схема усилителя на операционном усилителе полностью.

Следует учитывать

И, конечно же, нужно рассказать о правилах, которые стоит соблюдать, чтобы обеспечить стабильную и долговечную работу операционного усилителя.

Самое главное - ОУ обладает очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. И если между входами напряжения изменятся на долю милливольт, на выходе его значение может измениться существенно. Поэтому важно знать: у операционного усилителя выход старается стремиться к тому, чтоб между входами разница напряжений оказалась близка (в идеале равна) к нулю.

Второе правило - потребление тока операционным усилителем крайне малое, буквально наноамперы. Если же на входах установлены полевые транзисторы, то оно исчисляется пикоамперами. Отсюда можно сделать вывод, что входы не потребляют ток, независимо от того, какой используется операционный усилитель, схема - принцип работы остается тем же.

Но не стоит думать, что ОУ действительно постоянно меняет на входах напряжение. Физически это осуществить почти нереально, так как не было бы соответствия со вторым правилом. Благодаря операционному усилителю происходит оценка состояния всех входов. При помощи схемы обратной внешней связи передается напряжение на вход с выхода. Результат - между входами операционного усилителя разница напряжений находится на уровне нуля.

Понятие обратной связи

Это распространенное понятие, и оно уже применяется в широких смыслах во всех областях техники. В любой системе управления имеется обратная связь, которая сравнивает выходной сигнал и заданное значение (эталонное). В зависимости от того, какое значение текущее - происходит корректировка в нужную сторону. Причем системой управления может быть что угодно, даже автомобиль, которые едет по дороге.

Водитель жмет на тормоза, и обратная связь здесь - начало замедления. Проведя аналогию с таким простым примером, можно лучше разобраться с обратной связью в электронных схемах. А отрицательная обратная связь - это если бы при нажимании педали тормоза автомобиль ускорялся.

В электронике обратной связью называют процесс, во время которого происходит передача сигнала с выхода на вход. При этом происходит также погашение сигнала на входе. С одной стороны, это не очень разумная идея, ведь может показаться со стороны, что значительно уменьшится коэффициент усиления. Такие отзывы, кстати, получали основоположники разработки обратной связи в электронике. Но стоит разобраться детальнее в ее влиянии на операционные усилители - практические схемы рассмотреть. И станет ясно, что она и правда немного уменьшает коэффициент усиления, но зато позволяет несколько улучшить остальные параметры:

1. Сгладить частотные характеристики (приводит их к необходимой).
2. Позволяет предсказывать поведение усилителя.
3. Способна устранить нелинейность и искажения сигнала.

Чем глубже обратная связь (речь идет про отрицательную), тем меньшее влияние оказывают на усилитель характеристики с разомкнутой ОС. Результат - все его параметры зависят только от того, какие свойства имеет схема.

Стоит обратить внимание на то, что все операционные усилители работают в режиме с очень глубокой обратной связью. А коэффициент усиления по напряжению (с ее разомкнутой петлей) может достигать даже нескольких миллионов. Поэтому схема усилителя на операционном усилителе крайне требовательна к соблюдению всех параметров по питанию и уровню входного сигнала.

В радиоэлектронике и микросхемотехнике широкое распространение получил операционный усилитель (ОУ). Он обладает отличными техническими характеристиками (ТХ) по усилению сигналов. Чтобы понять сферы применения ОУ, нужно узнать его принцип действия, схему подключения и основные ТХ.

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

1. Индустриальные – дешевый вариант.
2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
3. Электрометрические (малое значение Iвх).
4. Микромощные (потребление малого I питания).
5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
7. Низковольтные (работают при U<3 В).
8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
10. С низким уровнем шума.
11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
14. Усилительные каскады готового типа.
15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

1. С 2 входами.
2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

1. V+ – неинвертирующий вход.
2. V- – инвертирующий вход.
3. Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

1. Усилительные.
2. Входные.
3. Выходные.
4. Энергетические.
5. Дрейфовые.
6. Частотные.
7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига – разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс – U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R – величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ – разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ – непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения – усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

1. Предусилители.
2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
3. Компараторы U.
4. Дифусилители.
5. Диференциаторы.
6. Интеграторы.
7. Фильтрующие элементы.
8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
9. Стабилизаторы U и I.
10. Вычислители аналогового типа.
11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
13. Устройства для генерации различных сигналов.
14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

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 (K и ОУ =∞), 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).

Рисунок 6.1. Условные обозначения ОУ

На основе требований к характеристикам идеального ОУ можно синтезировать его внутреннюю структуру, представленную на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2. Структурная схема ОУ

Упрощенная электрическая схема простого ОУ, реализующая структурную схему рисунка 6.2, показана на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Схема простого ОУ

Данная схема содержит входной ДУ (VT 1 и VT 2) с токовым зеркалом (VT 3 и VT 4), промежуточные каскады с ОК (VT 5) и с ОЭ (VT 6), и выходной токовый бустер на транзисторах VT 7 и VT 8 . ОУ может содержать цепи частотной коррекции (C кор), цепи питания и термостабилизации (VD 1 , VD 2 и др.), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала. С целью получения высокого входного сопротивления входной ДУ может быть выполнен на ПТ. Следует отметить большое разнообразие схемных решений ОУ, однако основные принципы их построения достаточно полно иллюстрирует рисунок 6.3.

6.2. Основные параметры и характеристики ОУ

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи K u ОУ , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается K u ОУ 0 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 U см ;

◆ температурная чувствительность напряжения смещения нуля dU см /dT ;

◆ ток смещения ΔI вх ;

◆ средний входной ток I вх ср .

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным R вхОУ и выходным R выхОУ сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток I выхОУ и минимальное сопротивление нагрузки R н min , 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 6.4.

Рисунок 6.4. Простая линейная макромодель ОУ

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=20lg·(ΔE /ΔU вх ). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.

К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±E, ток потребления (покоя) I П и потребляемая мощность. Как правило, I П составляет десятые доли - десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая I П , единицы - десятки милливатт.

К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:

◆ максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала U вых max (обычно чуть меньше Е);

◆ максимально допустимая мощность рассеивания;

◆ рабочий диапазон температур;

◆ максимальное напряжение питания;

◆ максимальное входное дифференциальное напряжение и др.

К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления f T (F 1), т.е. частота, на которой K u ОУ =1. Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представлены на рисунке 6.5 в виде двух зависимостей U вых =f (U вх ) для инвертирующего и неинвертирующего входов.

Когда на обоих входах ОУ U вх =0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки U ош , определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 U ош не показано ввиду его малости).

Рисунок 6.5. АХ ОУ

Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, K u ОУ =φ(lg f ). Такая АЧХ называется логарифмической (ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке 6.6 (для ОУ К140УД10).

Рисунок 6.6. ЛАЧХ и ЛФЧХ ОУ К140УД10

Частотную зависимость K u ОУ можно представить в виде:

Здесь τ в постоянная времени ОУ, которая при M в =3 дБ определяет частоту сопряжения (среза) ОУ (см. рисунок 6.6);

ω в = 1/τ в = 2πf в .

Заменив в выражении для K u ОУ τ в на 1/ω в , получим запись ЛАЧХ:

На НЧ и СЧ K u ОУ =20lgK u ОУ 0 , т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот. С некоторым приближением можем считать, что в области ВЧ спад K u ОУ происходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тогда при ω>>ω в можно упростить выражение для ЛАЧХ:

K u ОУ = 20lgK u ОУ 0 – 20lg(ω/ω в ).

Таким образом, ЛАЧХ в области ВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ, соответствует частоте сопряжения ω в (f в ). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте f в составляет порядка 3дБ (см. рисунок 6.6), однако для удобства анализа с этим мирятся, и такие графики принято называть диаграммами Боде .

Следует заметить, что скорость спада ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скорректированных ОУ с внешней или внутренней коррекцией, основные принципы которой будут рассмотрены ниже.

На рисунке 6.6 представлена также логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ), представляющая собой зависимость фазового сдвига j выходного сигнала относительно входного от частоты. Реальная ЛФЧХ отличается от представленной не более чем на 6°. Отметим, что и для реального ОУ j=45° на частоте f в , а на частоте f T - 90°. Таким образом, собственный фазовый сдвиг рабочего сигнала в скорректированном ОУ в области ВЧ может достигнуть 90°.

Рассмотренные выше параметры и характеристики ОУ описывают его при отсутствии цепей ООС. Однако, как отмечалось, ОУ практически всегда используется с цепями ООС, которые существенно влияют на все его показатели.

6.3. Инвертирующий усилитель

Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7. Инвертирующий усилитель на ОУ

Резистор R 1 представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала E г , посредством R ос ОУ охвачен ∥ООСН.

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R 2 , то потенциал в точке a тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: I г =I ос , т.е. E г /R 1 =–U вых /R ос . Отсюда получаем:

K U инв = U вых /E г = –R ос /R 1 ,

т.е. при идеальном ОУ K U инв определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток I вх , т.е. I г =I ос +I вх или (E г –U вх )/R 1 =(U вх –U вых )/R ос +U вх /U вхОУ , где U вх - напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a . Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. K u ОУ /K U инв =F >10, погрешность расчета K U инв для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина R ос превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного R ос (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что R ос 1 =R ос 2 >>R ос 3 , а величина R 1 обычно задана, поэтому R ос 3 определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ R вх инв имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

R вх инв = R 1 +(R ос /K u ОУ + 1)∥R вхОУ ≈ R 1 ,

т.е. при больших K u ОУ входное сопротивление определяется величиной R 1 .

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R вых инв в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной R вых ОУ , так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

R вых инв = R вых ОУ /F = R вых ОУ /K U инв /K u ОУ .

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

f вОС = f T /K U инв .

В пределе можно получить K U инв =1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

R вых пов = R вых ОУ /K u ОУ .

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при U вх =0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки U ош , порождаемое U см и ΔI вх . С целью снижения U ош стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять R 2 =R 1 ∥R ос (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для K U инв >10 можно записать:

U ош ≈ U см K U инв + ΔI вх R ос .

Уменьшение U ош возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

На основе рассмотренного инвертирующего УПТ возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M н (см. подраздел 2.5).

6.4. Неинвертирующий усилитель

Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку U вх и U ос подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

U вх = U вых R 1 /(R 1 + R ос ),

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

K U неинв = 1 + R ос /R 1 ,

K U неинв = 1 + |K U инв |.

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R вх неинв велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением R вхОУ :

R вх неинв = R вхОУ ·F = R вхОУ ·K U ОУ /K U неинв .

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

R вых неинв = R выхОУ /F = R выхОУ /K U неинв /K U ОУ .

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.

f вОС = f T /K U неинв .

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

R г = R 1 ∥R ос .

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших R г (что возможно за счет большого R вх неинв ), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ ⇒ выход ОУ ⇒ R ос ⇒ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению U ош , что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение K U неинв =1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9. Неинвертирующий повторитель на ОУ

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

U ош ≈ U см + I вх ср R г ≈ I вх ср R г ,

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M н (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

6.5. Разновидности УУ на ОУ

разностный (дифференциальный) усилитель , схема которого приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для U вых разностного усилителя можно записать:

U вых = K U инв U вх 1 + K U неинв U вх 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Как правило, R 1 =R 2 и R 3 =R ос , следовательно, R 3 /R 2 =R ос /R 1 =m . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

U вых = m (U вх 2 – U вх 1),

Для частного случая при R 2 =R 3 получим:

U вых = U вх 2 – U вх 1 .

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11. Разностный усилитель на повторителях

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель , принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 Логарифмический усилитель на ОУ

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи I 1 и I 2 . Используя выражение для ВАХ p-n перехода {I =I 0 ·}, нетрудно записать:

U вх /R = I 0 ·,

откуда после преобразований получим:

U вых = φ T ·ln(U вх /I 0 R ) = φ T (lnU вх – lnI 0 R ),

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член lnI 0 R представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель .

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматоры на ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

Рисунок 6.13. Инвертирующий сумматор на ОУ

U вх 1 /R 1 + U вх 2 /R 2 + U вх 3 /R 3 = –U вых /R ос ,

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления K U инв . При R ос =R 1 =R 2 =R 3 K U инв =1 и U вых =U вх 1 +U вх 2 +U вх 3 .

При выполнении условия R 4 =R ос ∥R 1 ∥R 2 ∥R 3 токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле U ош =U см (K U ош +1), где K U ош =R ос /(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем K U инв .

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора R ос конденсатором C (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

Рисунок 6.14. Аналоговый интегратор на ОУ

При идеальном ОУ можно приравнять токи I 1 и I 2 , откуда следует:

Точность интегрирования тем выше, тем больше K u ОУ .

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

6.6. Коррекция частотных характеристик

Под коррекцией частотных характеристик будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и, прежде всего, обеспечение устойчивой работы. ОУ обычно используется с цепями ООС, однако при некоторых условиях, из-за дополнительных фазовых сдвигов частотных составляющих сигнала, ООС может превратится в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку ООС очень глубокая (βK U >>1), то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, гарантирующий отсутствие возбуждения.

Ранее на рисунке 6.6 были приведены ЛАЧХ и ЛФЧХ для скорректированного ОУ, по форме эквивалентные ЛАЧХ и ЛФЧХ одиночного усилительного каскада, из которых видно, что максимальный фазовый сдвиг φ<90° при K u ОУ >1, а скорость спада коэффициента усиления в области ВЧ составляет 20дБ/дек. Такой усилитель устойчив при любой глубине ООС.

Если ОУ состоит из нескольких каскадов (например, трех), каждый из которых имеет скорость спада 20дБ/дек и не содержит цепей коррекции, то его ЛАЧХ и ЛФЧХ имеют более сложную форму (рисунок 6.15) и содержит область неустойчивых колебаний.

Рисунок 6.15. ЛАЧХ и ЛФЧХ нескорректированного ОУ

Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ используются внутренние и внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной рабочей частоте. При этом автоматически получается, что спад K u ОУ составляет порядка 20дБ/дек.

В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде , формулируемый следующим образом: "Усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в децибелах пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20дБ/дек". Таким образом, можно заключить, что цепи частотной коррекции в ОУ должны обеспечивать скорость спада K U инв (K U неинв ) на ВЧ порядка 20дБ/дек.

Цепи частотной коррекции могут быть как встроенные в полупроводниковый кристалл, так и созданными внешними элементами. Простейшая цепь частотной коррекции осуществляется с помощью подключения к выходу ОУ конденсатора C кор достаточно большого номинала. Необходимо, чтобы постоянная времени τ кор =R вых C кор была больше, чем 1/2πf в . При этом сигналы высоких частот на выходе ОУ будут шунтироваться C кор и полоса рабочих частот сузится, большей часть весьма значительно, что является существенным недостатком данного вида коррекции. Полученная в этом случае ЛАЧХ показана на рисунке 6.16.

Рисунок 6.16. Частотная коррекция внешним конденсатором

Спад K u ОУ здесь не будет превышать 20дБ/дек, а сам ОУ будет устойчив при введении ООС, поскольку φ никогда не превысит 135°.

Более совершенны корректирующие цепи интегрирующего (запаздывающая коррекция) и дифференцирующего (опережающая коррекция) типов. В общем виде коррекция интегрирующего типа проявляется аналогично действию корректирующей (нагрузочной) емкости. Корректирующая RC цепь включается между каскадами ОУ (рисунок 6.17).

Рисунок 6.17. Частотная коррекция интегрирующего типа

Резистор R 1 является входным сопротивлением каскада ОУ, а сама цепь коррекции содержит R кор и C кор. Постоянная времени этой цепи должна быть больше постоянной времени любого из каскадов ОУ. Поскольку цепь коррекции является простейшей однозвенной RC цепью, то наклон ее ЛАЧХ равен 20дБ/дек, что и гарантирует устойчивую работу усилителя. И в этом случае цепь коррекции сужает полосу рабочих частот усилителя, однако широкая полоса все равно ничего не дает, если усилитель неустойчив.

Устойчивая работа ОУ при относительно широкой полосе обеспечивается коррекцией дифференцирующего типа. Сущность такого способа коррекции ЛАЧХ и ЛФЧХ заключается в том, что ВЧ сигналы проходят внутри ОУ в обход части каскадов (или элементов), обеспечивающих максимальный K u ОУ 0 , ими не усиливаются и не задерживаются по фазе. В результате ВЧ сигналы будут усиливаться меньше, но их малый фазовый сдвиг не приведет к потере устойчивости усилителя. Для реализации коррекции дифференцирующего типа к специальным выводам ОУ подключается корректирующий конденсатор (рисунок 6.18).

Рисунок 6.18. Частотная коррекция дифференцирующего типа

Помимо рассмотренных корректирующих цепей известны и другие (см., например ). При выборе схем коррекции и номиналов их элементов следует обращаться к справочной литературе (например, ).

До сих пор рассматривались усилители, собираемые из отдельных дис­кретных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов. При исполь­зовании технологии интегральных схем все эти необходимые дискретные компоненты могут быть сформированы в одной монолитной ИС. Именно по такой технологии в настоящее время изготавливаются операционные усилители (ОУ). Первоначально они были разработаны для выполнения определенных математических операций (отсюда название), но затем бы­стро нашли применение в самых различных электронных схемах.

Идеальный операционный усилитель - это идеальный усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, бесконечно широкой по­лосой пропускания и совершенно плоской АЧХ, бесконечным входным со­противлением, нулевым выходным сопротивлением и полным отсутстви­ем дрейфа нуля. На практике операционный усилитель имеет следующие свойства:

1) очень высокий коэффициент усиления (свыше 50000);

2) очень широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ;

3) очень высокое входное сопротивление;

4) очень низкое выходное сопротивление;

5) очень слабый дрейф нуля.

Рис. 31.1.

На рис. 31.1 показано условное обозначение операционного усилителя. ОУ имеет два входа: инвертирующий вход (-), сигнал на котором нахо­дится в противофазе с выходным сигналом, и неинвертирующий вход (+), сигнал на котором совпадает по фазе с выходным сигналом.

Применения

Диапазон применений ОУ исключительно широк. Он может использо­ваться в качестве инвертирующего, неинвертирующего, суммирующего и дифференциального усилителей, как повторитель напряжения, интегра­тор и компаратор. Внешние компоненты, подключаемые к ОУ, опреде­ляют его конкретное применение. Ниже рассматриваются некоторые из этих применений.

На рис. 31.2 показано применение ОУ в качестве инвертирующего уси­лителя. Поскольку ОУ обладает очень большим (почти бесконечным) коэффициентом усиления, то сигнал на его выходе вырабатывается при очень малом входном сигнале. Это означает, что инвертирующий вход ОУ (точку Р) можно считать виртуальной (мнимой) землей, т. е. точкой с практически нулевым потенциалом. Для получения коэффициента усиления ОУ требуемого уровня вводится очень глубокая отрицательная связь через резистор обратной связи R oc . Коэффициент усиления инвер­тирующего усилителя (рис. 31.2) можно рассчитать по формуле

Отрицательный знак указывает на инвертирование входного сигнала при его усилении.

Рис. 31.2.

Пример

Полагая R 1 = 1 кОм и R oc = 2,2 кОм, рассчитать коэффициент усиления и выходное напряжение инвертирующего усилителя, если на его вход подано на­пряжение 50 мВ.

Решение

Коэффициент усиления

Выходное напряжение = -2, 2 · 50 мВ = -110 мВ.

Суммирующий усилитель (рис. 31.3) вырабатывает выходное напряже­ние, величина которого пропорциональна сумме входных напряжений V 1 и V 2 . Для входного напряжения V 1 коэффициент усиления G V = - R oc / R 1 , а для входного напряжения V 2 G V = - R oc / R 1 .

Например, если R oc = R 1 = R 2 , то коэффициент усиления для обоих входов равен -5 кОм / 5 к0м = -1. Пусть V 1 = 1 В и V 2 = 2 В, тогда вклад в выходное напряжение, связанный с V 1 , составляет 1 · (-1) = -1 В, а вклад, связанный с V 2 , составляет 2 · (-1) = -2 В. Следовательно, полное выходное напряжение равно V вых = -1 - 2 = -3 В.

Пример 1

На входы суммирующего ОУ, показанного на рис. 31.4, подаются напряжения V 1 = 20 мВ и V 2 = -10 мВ. Рассчитайте выходное напряжение V вых .

Рис. 31.3.

Рис. 31.4.

Решение

Выходное напряжение для V 1 = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Выходное напряжение для V 2 = -5/5 · (-10) = +10мВ.

Следовательно, полное выходное напряжение V вых = -100 + 10 = -90 мВ.

В этом случае операционный усилитель охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис. 31.5) и имеет результирующий коэффициент уси­ления, равный 1. Заметим, что выходной и входной сигналы повторителя напряжения совпадают по фазе.

Напряжение смещения

При нулевом входном сигнале выходной сигнал идеального ОУ равен ну­лю. На практике это не так: отличный от нуля сигнал (ток или напря­жение) присутствует на выходе ОУ даже при нулевом входном сигнале. Чтобы добиться нулевого выходного сигнала при нулевом входном, на вход ОУ подается входной ток смещения или напряжение смещения та­кой величины и полярности, чтобы выходной сигнал, соответствующий входному сигналу смещения, компенсировал исходный мешающий выход­ной сигнал.

Входной ток смещения обычно устанавливается с помощью дополни­тельного резистора R 2 , подключаемого к неинвертирующему входу ОУ, как показано на рис. 31.6.

Рис. 31.5. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.6

Оптимальное сопротивление этого резистора определяется по формуле

Обычно, если коэффициент усиления больше четырех, номиналы рези­сторов R 2 и R 1 выбирают одинаковыми. Введение резистора R 2 не изме­няет коэффициент усиления инвертирующего усилителя, он по-прежнему остается равным - R oc / R 1 . Как мы увидим позже, в некоторых ИС преду­сматриваются выводы для установки нулевого напряжения на выходе ОУ.

Неинвертирующий усилитель

В этом случае входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, как показано на рис. 31.7.