Операционные усилители.
Операционным усилителем называют высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенный для работы в схемах с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения - выполнение различных операций над аналогичными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.
Идеальный ОУ имеет: бесконечно большие: коэффициент усиления по напряжению; входное сопротивление и КООС; нулевое выходное сопротивление и бесконечно широкую полосу пропускания . Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих областей применения точностью. На рис. 2.45,а дано упрощенное обозначение ОУ без выводов для подключения источников питания, общей шины и внешних элементов, а на рис. 2.45,б приведены некоторые из этих выводов.
Кроме выводов для подключения напряжения питания здесь обозначены выводы частотной коррекции (FC), которые используются в ОУ без внутренней коррекции, и выводы балансировки (NC). Если неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной и сигнал подан на инвертирующий вход (обозначен кружком) , то выходной сигнал окажется сдвинутым на 180°, т. е. произойдет инвертирование сигнала. Если с общей шиной соединен инвертирующий вход, а сигнал подан на неинвертирующий, то выходной сигнал окажется в одной фазе с входным сигналом . Таким образом, входной сигнал может быть подан лишь на один вход ОУ (инвертирующий или неинвертирующий).
Необходимо отметить, что электропитание ОУ (как и ДУ) почти всегда осуществляется от двух источников с одинаковым (по модулю) напряжением (+Е и —Е) и общей точкой. И еще, на практике ОУ обычно охватывается глубокой ООС, для подключения которой используется инвертирующий вход.
Промышленностью освоен выпуск целого ряда ОУ различного назначения. Основная масса – ОУ общего применения. С их помощью, строят узлы аппаратуры, имеющие суммарную погрешность на уровне 1%.
Характерным представителем первого поколения таких ОУ служит ОУ 140УД1 (рис. 2.46). Входной дифференциальный каскад на транзисторах Т1 и Т2 с диффузионными резисторами в коллекторных цепях R1, R2 и R8. Токи эмиттеров этих транзисторов задаются ИСТ, выполненным на транзисторе Т3 (см. рис. 2.41). Сигналы с выходов первого каскада подаются на базы транзисторов Т5 и Т6, составляющих второй ДУ. Отличительной особенностью этого каскада является отсутствие нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора Т5 . Несимметричный выходной сигнал
снимается с коллектора транзистора Т6 и передается на вход согласующего каскада выполненного на транзисторах Т7 и Т8. Как и в усилителях постоянного тока прямого усиления, какими являются первые два дифференциальных каскада ОУ, от каскада к каскаду происходит увеличение выходных напряжений. В операционном же усилителе необходимо, чтобы при отсутствии сигнала на его входе потенциалы обоих входов и выхода были бы одинаковы. Следовательно, нужно возросший потенциал коллектора транзистора Т6 снизить до уровня потенциала на входе ОУ.
Эта задача в согласующем каскаде решается следующим способом. Транзистор Т8 является источником стабильного тока , поэтому падение напряжения от этого тока на резисторе R9 тоже величина постоянная. Достаточно так подобрать сопротивление R9, чтобы сумма падений напряжения была равна разности потенциалов между базой транзистора Т7 и входными выводами 9 и 10. Тогда потенциал выходного вывода 5 окажется равным потенциалам входов.
Согласованием уровней потенциалов входа и выхода функции согласующего каскада не ограничиваются. Он повышает коэффициент усиления за счет положительной обратной связи, образованной с помощью делителя выходного напряжения на резисторах R10 и R12. При положительном сигнале на прямом входе 10 на выходе 5 также появляется усиленное положительное напряжение. Часть этого напряжения, снимаемая с резистора R12, через резистор R11 поступает на эмиттер Т8, уменьшая напряжение и тем самым подзапирая его относительно режима покоя. Уменьшение коллекторного тока Т8 уменьшит падение напряжения на резисторе R9, а значит, повысит потенциал на базе Т9 , что приведет к дальнейшему увеличению выходного напряжения.
Выходной каскад на транзисторе Т9 и резисторах R10 и R12 представляет собой обычный эмиттерный повторитель, предназначенный для усиления мощности сигнала и снижения выходного сопротивления усилителя.
С развитием технологии изготовления интегральных схем произошли значительные изменения в схемотехнике операционных усилителей, связанные с использованием транзисторов различного типа проводимости , отражателей тока и динамических нагрузок. Это операционные усилители второго поколения. В их основу положена так называемая трехкаскадная схема, типичным примером которой является сравнительно простой ОУ 544УД1, приведенный на рис. 2.47.
Входной каскад ОУ 544УД1 выполнен по дифференциальной схеме на n-канальных полевых транзисторах Т1 и Т2 с управляющим p-n-переходом. В качестве нагрузки использована схема отражателя тока на транзисторах Т3, Т4 и Т5, а ток истоков стабилизирован генератором тока на транзисторах Т6 и Т7. Однофазный выход дифференциального каскада через эмиттерный повторитель на транзисторе Т9 подключен ко входу каскада промежуточного усиления на транзисторе Т10 с динамической нагрузкой в коллекторе в виде источника тока на транзисторе Т8. Конденсатор С включается для сужения полосы пропускания каскада с тем, чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя.
Третий, выходной каскад построен по двухтактной схеме на комплементарных транзисторах Т14 и Т18, работающих в режиме класса АВ. Транзисторы Т11 и Т12 в диодном включении служат для задания рабочих точек транзисторов выходного каскада.
Отличительной особенностью ОУ второго поколения является их защита от перегрузок. Рассмотрим работу схемы защиты одного из выходных транзисторов (например, транзистора Т18). При нормальном режиме падение напряжения на резисторе в эмиттере транзистора Т18 мало, поэтому транзистор Т17 заперт и не оказывает влияния на работу транзистора Т18 . Однако как только ток в нагрузке превысит допустимое значение(например, при коротком замыкании вывода 6 на корпус), падение напряжения на резисторе в эмиттере транзистора Т18 окажется больше напряжения открывания транзистора Т17. При этом схема переводится в режим источника тока, так как через открытый транзистор Т17 часть тока транзистора Т15 ответвляется в нагрузку, ограничивая ток эмиттера транзистора Т18 на допустимом уровне. Схема защиты на транзисторе Т16 работает аналогичным образом.
Основным параметромОУ, как и любого усилительного устройства, является коэффициент усиления. Прежде всего, это коэффициент усиления по напряжению без обратной связи . Этот параметр иногда называют полным коэффициентом усиления по напряжению. На низких и средних частотах его часто обозначают, как и он может достигать нескольких десятков тысяч.
Весьма важными параметрами ОУ являются точностные: напряжение смещения нуля, его температурная чувствительность, ток смещения и средний входной ток. Все эти параметры определяются входным каскадом ОУ и их величины желательно предельно уменьшать.
Входные и выходные цепи ОУ представляются входным и выходным сопротивлениями. Обычно эти параметры приводятся для ОУ без цепей ООС. Чаще всего желательно повышать и снижать . Выходную цепь ОУ представляют также такие параметры, как максимальный выходной ток ( мА) и минимальное сопротивление нагрузки ( кОм), а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может быть представлена входной емкостью, т. е. емкостью между входными выводами и общей шиной.
Среди параметровОУ следует отметить КООС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания . Оба эти параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах 60—120 дБ.
К частотным параметрам ОУ прежде всего относится граничная частота единичного усиления или абсолютная граничная частота (или ), т. е. частота сигнала, при которой . Кроме того, иногда используются параметры, представляющие собой скорость нарастания и время установления выходного напряжения. Эти параметры определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе.
Одними из важнейших характеристик ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики. Они представлены на рис. 2.48 в виде двух зависимостей . Одна из этих зависимостей соответствует инвертирующему, а другая - неинвертирующему входам ОУ. Когда на обоих входах ОУ , то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки , определяемое, точностными параметрами (на рис. 2.48 не показано ввиду его малости). Наличие иногда может существенно изменять амплитудную характеристику ОУ.
Амплитудную характеристику ОУ несколько условно можно разделить на наклонный и горизонтальный участки. Рабочим участком является наклонный (линейный) участок характеристики, угол наклона которого определяется значением . При изменении для горизонтального участка характеристики выходное напряжение остается постоянным. Это напряжение является максимальным выходным напряжением ОУ. Иногда для инвертированного и неинвертированного сигналов различаются по значению (например, для ОУ К140УД5А). Обычно значения ненамного меньше напряжения питания Е. Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, при построении которой приводится в дБ, а частота откладывается по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе. Такую АЧХ ОУ принято называть логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ). Рассмотрим ЛАЧХ ОУ, которая в общем случае представляется характеристикой обычного УПТ. На рис. 2.47 приведена типовая ЛАЧХ для ОУ К140УД10, спад имеет место только в области высоких частот.
Используя (2.16) и (2.10), можно представить модуль в следующем виде:
, (2.45)
где - постоянная времени ОУ, которая при дБ определяет частоту сопряжения (среза) усилителя (см. рис. 2.46) . Заменив в (2.45) на , получим выражение (дБ)
. (2.46)
Выражение (2.46) представляет собой запись ЛАЧХ. При низких и средних частотах коэффициент усиления ОУ равен , т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую линию, параллельную оси частот. С повышением частоты начнет уменьшаться за счет влияния второго члена в правой части (2.46). С некоторым приближением можно считать, что на высоких частотах спад происходит со скоростью 20 дБ/дек, т.е. возрастание частоты в 10 раз приводит к уменьшению на 20 дБ. Действительно, при можно упростить подкоренное выражение в правой части (2.46). При этом получим
. (2.47)
Таким образом, ЛАЧХ и ОВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20 дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ ОУ, соответствует частоте сопряжения .
Отметим, что спад иногда представляется в дБ/октава. Октавой называется изменение частоты в 2 раза. Нетрудно получить, что спад 20 дБ/дек соответствует 6 дБ/октава. Такая скорость спада характерна для простых RС-фильтров НЧ и для скорректированных ОУ.
Реальная ЛАЧХ ОУ несколько отличается от вида на рис. 2.49. Это отличие имеет максимальное значение в 3 дБ на частоте /д (пунктир на рис. 2.49). Однако для удобства анализа ЛАЧХ ОУ обычно аппроксимируют прямолинейными отрезками. Такие графики принято называть диаграммами Боде.
Следует различать ОУ с внутренней и внешней коррекцией. В ОУ с внутренней коррекцией за счет специальных RС-цепей, выполненных в одном полупроводниковом кристалле со всем усилителем, обеспечен спад дБ/дек. Для ОУ с внешней коррекцией необходимый спад получают за счет подключения внешних RС-цепей к специальным выводам (например, выводы ЧК на рис. 2.42, б).
К ОУ с внутренней коррекцией относятся ИМС К140УД6, К140УД8, К140УД12, К140УД13, К154УД1, К544УД1, К544УД2, К574УД1 и др. В таких ОУ для области спада ЛАЧХ можно рассчитать на заданной частоте по следующей формуле: . Подставив в эту формулу вместо , получим максимальное значение .
Среди усилителей, выполненных на основе ОУ, наиболее часто используются инвертирующий и неинвертирующий варианты. На рис. 2.50 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя наОУ. Цепи электропитания, частотной коррекции и другие вспомогательные цепи здесь для простоты восприятия не показаны. Входной сигнал подан на инвертирующий вход, следовательно, будет находиться в противофазе с входным напряжением. Резистор соответствует сопротивлению источника сигнала . Неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор . Нетрудно показать, что на рис. 2.50 ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению (цепью резистора ).
Если положить, что здесь используется идеальный ОУ, то разность напряжений на его входе должна стремиться к нулю. Поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной, потенциал на инвертирующем входе (в точке А) тоже должен быть равен нулю. Точку А принято называть «кажущейся землей» или «точкой виртуального нуля». Тогда можно записать для токов в рассматриваемой схеме на идеальном ОУ: , т. е. . Отсюда получим выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя по напряжению
. (2.48)
Выражение (2.48) повторяет общую запись для при глубокой параллельной ООС по напряжению (2.32). Знак «-» в (2.48) указывает на инвертирование сигнала. Таким образом, для идеального ОУ определяется отношением внешних резисторов.
Для реального ОУ использование (2.48) приводит к появлению погрешностей в расчете . Чем больше в ОУ и , тем меньшую погрешность дает использование этой формулы. Так, при кОм, кОм, кОм погрешность в определении по (3.48) составит примерно 9%, а при (остальные параметры те же) - менее 0,1% . Обычно допускается использование выражения (2.48) при (т.е. при глубине ООС , что справедливо для большинства практических случаев) .
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ имеет относительно небольшую величину, что определяется параллельной ООС. можно определить из выражения:
. (2.49)
Из (2.49) следует, что при больших сопротивление определяется внешним резистором . Рекомендуется, чтобы кОм.
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на реальномОУ отличается от нуля, но все же невелико и определяется как небольшим сопротивлением так и глубокой ООС по напряжению. Для сопротивления при можно записать
. (2.50)
Из (2.50) следует, что выходное сопротивление снижается пропорционально уменьшению .
Для реального ОУ на выходе усилителя при всегда будет присутствовать напряжение ошибки , которое порождается двумя точностными параметрами входного каскада ОУ: и . С целью снижения стремятся, чтобы общие эквиваленты резисторов, подключенные ко входам ОУ, были равны. Так, для схемы (рис. 2.45) необходимо, чтобы
. (2.51)
Назначение резистора - снижение токовой ошибки. При выполнении условия (2.51) и можно записать
. (2.52)
С целью снижения можно осуществить установку нуля на выходе усилителя с помощью специальной схемы смещения, которая задает на инвертирующий вход ОУ небольшое напряжение, компенсирующее на выходе . Отметим, что этот метод предполагает наличие дополнительных элементов и не гарантирует постоянства нуля на выходе устройства.
Рассмотренный выше инвертирующий усилитель на ОУ является УПТ. В некоторых случаях (в частности, для уменьшения ) возникает необходимость в создании усилителей только переменного тока на ОУ. Для этого можно использовать усилитель (рис. 2.50), включив в него разделительный конденсатор (или конденсаторы на входе и выходе). На рис. 2.51 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя переменного тока на ОУ с разделительным конденсатором С во входной цепи. Здесь имеет место дозированная параллельная ООС по переменному напряжению и 100%-ная ООС по постоянному напряжению.
Для расчета основных параметров инвертирующего усилителя переменного тока в области средних частот можно использовать выражения (2.48)—(2.50). Все основные выводы, справедливые для инвертирующего УПТ на ОУ, справедливы и здесь.
Конденсатор С не позволяет пройти на вход ОУ сигналам постоянного тока (в том числе и паразитным), что приносит рассматриваемому усилителю уже преимущества, характерные для усилителей с разделительными элементами. Постоянная времени в ОНЧ равна . Подставив в (2.9), нетрудно определить коэффициент частотных искажений . При использовании разделительного конденсатора на выходе рассматриваемого усилителя расчет коэффициента следует проводить как для входной, так и для выходной цепей, а затем полученные значения сложить .
Другой широко распространенный вариант включения ОУ реализуется в виде неинвертирующего усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.52. Входной сигнал здесь поступает на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий подается сигнал обратной связи. Нетрудно показать, что в инвертирующем усилителе на ОУ имеет место последовательная ООС по напряжению.
Поскольку и сигнал ООС подаются на разные входы ОУ, то для идеального ОУ можно записать:
, откуда для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по напряжению получим
. (2.53)
Сравнивая (2.53) с (2.48), можно записать: . Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ (2.53) справедливо при достаточной глубокой ООС (при ), что обычно и имеет место на практике. Отметим, что обычно значения суммы , лежат в пределах от 50 кОм до 1 МОм.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ всегда имеет большую величину. Этот факт определяется значительным и глубокой последовательной ООС. Для формула (2.28) имеет следующий вид:
. (2.54)
Из (2.54) видно, что в неинвертирующем усилителе входное сопротивление возрастает при уменьшении . Обычно составляет единицы или десятки ГОм.
Поскольку как в неинвертирующем, так и в инвертирующем усилителях на ОУ имеет место ООС по напряжению, то при одинаковой глубине ООС . Для расчета можно использовать формулу (2.50).
Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе следует выполнять условие (2.51), где следует заменить на . Однако в реальных случаях неинвертирующий усилитель часто используется при весьма больших МОм. Кроме того, входной сигнал на неинвертирующем входе (без инвертирования) усиливается ОУ и затем в той же фазе поступает на инвертирующий вход. В результате на обоих входах ОУ появляются синфазные сигналы. Все это приводит к повышению и является недостатком рассматриваемого усилителя на ОУ.
При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе будет уменьшаться и при 100%-ной ООС станет равным единице. Такой усилитель принято называть неинвертирующим повторителем или просто повторителем. На рис. 2.53 приведена принципиальная схема повторителя на ОУ. Здесь 100%-ная последовательная ООС по напряжению создана цепью резистора . В повторителе реализуется максимальное входное и минимальное выходное сопротивления для используемого типа ОУ. Рассчитать эти параметры можно с помощью (2.54), положив в ней и (2.50) соответственно. Повторитель на ОУ, как и любой другой повторитель (эмиттерный или истоковый), используется как согласующий каскад.
Для уменьшения токовой ошибки в повторителе стараются выполнить равенство: . Однако из-за больших это не всегда удается осуществить. При МОм резистор перестает выполнять свою компенсирующую роль и его вообще не ставят . В этом случае можно записать: .
Неинвертирующий усилитель на ОУ может быть выполнен и как усилитель переменного тока. Для этого следует использовать разделительный конденсатор во входной (или выходной) цепи. Отметим, что для получения минимальных искажений в ОНЧ разделительный конденсатор следует включать не в выходную, а во входную цепь усилителя.
Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются и другие варианты усилительных устройств.
Теперь рассмотрим коррекции частотных характеристик. Под коррекцией будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и прежде всего обеспечение устойчивой работы. Напомним, что ОУ всегда используются с цепями глубокой ООС. Однако при некоторых условиях ООС может превратиться в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку обратная связь глубокая, то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, гарантирующий отсутствие возбуждения.
Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ в нем используются внутренние или внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной частоте. При этом автоматически получается, что спад дБ/дек.
В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде, который можно сформулировать следующим образом: «усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в дБ пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20 дБ/дек». Таким образом, цепи частотной коррекции вОУ должны обеспечивать спад дБ/дек вОВЧ.
При последовательном включении нескольких ОУ иногда цепью общей ООС охватывает два каскада. В этом случае также следует вводить корректирующие цепи, обеспечивающие надлежащий запас устойчивости всего устройства. В справочниках на ОУ без внутренней коррекции иногда приводятся сведения по коррекции частотных характеристик, предлагаются наиболее подходящие схемы и номиналы элементов для конкретного типа ОУ и вида ЛАЧХ.
Вопросы для самопроверки
1. Какими основными параметрами характеризуется усилитель?
2. Назовите виды искажений в усилителях и объясните причины их возникновения.
3. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОЭ и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.
4. Объясните принцип работы усилительного каскада с ОЭ использованием входных и выходных характеристик транзистора.
5. Приведите эквивалентную схему каскада с ОЭ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.
6. Поясните влияние разделительных конденсаторов на работу каскада с ОЭ в области низких частот.
7. Какими причинами объясняется уменьшение коэффициента усиления каскада с ОЭ в области высоких частот?
8. Какие причины влияют на стабильность режима покоя в каскаде с ОЭ и как ее можно повысить?
9. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОБ. Объясните принцип работы усилительного каскада с ОБ.
10. Приведите эквивалентную схему каскада с ОБ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада
11. Нарисуйте принципиальную схему каскада с ОК.
12. Составьте эквивалентную схему каскада с ОК и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.
13. Сделайте сравнительный анализ каскадов с ОЭ, ОБ и ОК по основным качественным показателям.
14. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.
15. Приведите эквивалентную схему каскада с ОИ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.
16. Что понимают под обратной связью в усилителях, и для каких целей ее вводят в усилители?
17. Какие виды обратных связей в усилителях Вы знаете?
18. Нарисуйте структурную схему усилителя с последовательной обратной связью по напряжению и выведите выражение для коэффициента усилителя с ООС по напряжению.
19. Поясните, как можно использовать метод короткого замыкания нагрузки для определения способа снятия сигнала обратной связи?
20. Каким образом меняется входное сопротивление усилителя при введении параллельной и последовательной ООС по напряжению?
21. Какие режимы усиления применяются в выходных усилителях мощности сигналов, и чем они характеризуются?
22. Нарисуйте принципиальную схему бестрансформаторного выходного каскада, работающего в режиме класса В или АВ.
23. Какие особенности и трудности возникают при построении усилителей постоянного тока? Как их удается избежать?
24. Приведите принципиальную схему дифференциального усилителя и объясните принцип его работы.
25. Что такое синфазная и дифференциальная составляющие входного сигнала дифференциального усилителя?
26. Какими качественными основными показателями оценивается работа дифференциального усилителя?
27. Приведите принципиальную схему отражателя тока и объясните принцип его работы.
28. Какие функции может выполнять отражатель тока?
29. Какие усилители принято называть операционными?
30. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя на ОУ и выведите формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.
31. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя на ОУ и выведите формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.
32. Приведите схему повторителя на ОУ и укажите возможные варианты его использования.
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 517;