Операционные усилители

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

На рис. 7.24 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать не инвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий (тот, что с кружочком) - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

Рисунок 7.24 Операционный усилитель

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 7.24, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания ±15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, выводы питания указываться не будут.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 7.25, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 7.25, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_вх. В первый момент выходное напряжение U_вых, а следовательно, и напряжение обратной связи βU_вых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит U_д = U_вх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления K_U, то величина U_вых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина βU_вых. Это приведет к уменьшению напряжения U_д, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

Решив это уравнение относительно U_вых, получим:

При βK_U >> 1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит K≅ 1/β

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Д и ф ф е р е н ц и а л ь н о е включение ОУ показано на рисунке 7.26. Вследствие одного из свойств идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами Up и Un равна нулю. Соотношение между входным напряжением U₂ и напряжением U_p между не инвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4: U_p = U₁R4 / (R3 + R4)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_n = U_p, ток I₁ определится соотношением:

Вследствие одного из свойств идеального ОУ (нулевые входные токи) I₁ = I₂. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

Подставив первую и вторую формулу в последнюю, получим вот такую хрень:

При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,

Два последних соотношения справедливы и в случае, если вместо резисторов R1 и R2 включены двухполюсники, содержащие в общем случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным входным сопротивлением, соответственно, Z1(s) и Z2(s).

И н в е р т и р у ю щ е е включение ОУ такое включение, при котором не инвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (сморим ниже)

Коэффициент усиления будет определяться соотношением:

Выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Поскольку напряжение на не инвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно второму свойству идеального ОУ входной ток схемы I₁ = U₂ / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы R_вх = R1. Поскольку напряжение на не инвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно второму свойству идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Н е и н в е р т и р у ю щ е е включение - это такое включение, при котором входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 7.28). Здесь коэффициент усиления схемы K будет определяться следующим выражением:

В такой схеме выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом (тот, что с кружочком), этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют не инвертирующими повторителями, или просто повторителями на ОУ. Такие ОУ могут изготавливать серийно в виде отдельных интегральных микросхемах (ИМС) по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. На самом же деле, сопротивление у такой схемы есть, хотя оно достаточно велико

Компараторы

Компаратор - это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U_вх - анализируемый сигнал и U_оп - опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 7.29).

Рисунок 7.29. Характеристики компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U¹_вых - U⁰_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис.7.30) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю. характеристика будет иметь вид рис. 7.29.а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 7.30). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "дребезг", эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис.7.29.б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 7.30), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 7.31. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рисунок. 7.31. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх - U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх - U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 7.31 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

А н а л о г о в ы й и н т е г р а л ь н ы й компаратор- это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом и смещением нуля и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т.е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим переключение компаратора только в тактовые моменты.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, ±13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников ±15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 7.32.

Рисунок 7.32.. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3

На рис.7.32.а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U⁺_пит до U^-_пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис.7.32.б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.

На рис.7.33.а приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 7.29.б). Пороговые напряжения этой схемы определяются по формулам

,

Из-за несимметрии выхода компаратора петля гистерезиса оказывается несимметричной относительно опорного напряжения.

Рисунок 7.33. Компаратор с положительной обратной связью

В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ.

Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса - гарантировано) самовозбуждение компараторов.

В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.

Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.

Выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.