Какую роль в оу выполняет входной каскад

Какую роль в оу выполняет входной каскад

Понятие «обратная связь» (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве «системы» может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем — за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.

1. Предварительные сведения об обратной связи

Отрицательная обратная связь — это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. «К нашему изопрелению отнеслись так же, как к вечному двигателю» (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.

Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIAA); если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения U_БЭ от тока I_К в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.

Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.

2. Операционные усилители

В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 10 5 — 10 6 ) и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.

Символы «+» и «-» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необходимости будем изучать его более тщательно.

Промышленность выпускает буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают различными преимуществами друг перед другом. Повсеместное распространение получила очень хорошая схема типа LF411 (или просто «411»), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов мини-DIP. Эта схема недорога и удобна в обращении; промышленность выпускает улучшенный вариант этой схемы (LF411A), а также элемент, размещенный в миниатюрном корпусе и содержащий два независимых операционных усилителя (схема типа LF412, которую называют также «сдвоенный» операционный усилитель). Рекомендуем вам схему LF411 в качестве хорошей начальной ступени в разработке электронных схем.

Схема типа 411 — это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполярный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор). На рис. 2 показано соединение с выводами корпуса.

Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «установка нуля» (или «баланс», «регулировка») служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе.

3. Важнейшие правила

Сейчас мы познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило I:

I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах — порядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: правило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы не совместимо с правилом II.) Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

4. Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 3. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные правила:

1. Потенциал точки B равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки A также равен потенциалу земли.

2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R₂ равно U_вых, б) падение напряжения на резисторе R₁ равно U_вх.

3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим U_вых/R₂ = —U_вх/R₁, или коэффициент усиления по напряжению = U_вых/U_вх = R₂/R₁. Позже вы узнаете, что чаще всего точку B лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.

Итак, анализ схемы на ОУ оказался даже чересчур простым. Он, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резистор R₁ имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R₂ — 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что произойдет? Резисторы R₁ и R₂ образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки A всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовательно, Z_вх = R₁. Пока вы еще не знаете, как подсчитать выходной импеданс; для этой схемы он равен нескольким долям ома.

Следует отметить, что полученные результаты справедливы и для сигналов постоянного тока — схема представляет собой усилитель постоянного тока. Поэтому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником является, например, коллектор предыдущего каскада), у вас может возникнуть желание использовать для связи каскадов конденсатор (иногда такой конденсатор называют блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сигнал переменного тока). Немного позже (когда речь пойдет об отклонениях характеристик ОУ от идеальных), вы узнаете, что в тех случаях, когда интерес представляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.

Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R₁, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.

5. Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 4. Анализ ее крайне прост: U_A = U_вх. Напряжение U_A снимается с делителя напряжения: U_A = U_вых R₁ / (R₁ + R₂). Если U_A = U_вх, то коэффициент усиления = U_вых / U_вх = 1 + R₂ / R₁. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 10 12 Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 10 8 Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 5. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке -3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Усилитель переменного тока. Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига». Для схемы, представленной на рис. 6, точке -3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю. Можно воспользоваться другим методом — увеличить сопротивления резисторов R₁ и R₂ и использовать T-образную схему делителя.

Несмотря на высокий входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертирующего усилителя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Как мы увидим в дальнейшем, инвертирующий усилитель не предъявляет столь высоких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, благодаря мнимому заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильному) другого ОУ, то величина входного импеданса для вас безразлична — это может быть 10 кОм или бесконечность, так как в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции по отношению к последующему.

6. Повторитель

На рис. 7 представлен повторитель, подобный эммитерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R₁ равно бесконечности, а сопротивление резистора R₂ — нулю (коэффициент усиления = 1). Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или OPA633, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

8. Основные предостережения при работе с ОУ

1. Правила I и II (сформулированные в разд. 2) справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, т.е. его входы и выходы не перегружены.

Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня U_КК или U_ЭЭ. В то время когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше диапазона питания на 2 В, хотя в некоторых ОУ размах выходного напряжения ограничен одним или другим напряжением питания). Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Например, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке при «нормальном» направлении тока (направление тока совпадает с направлением приложенного напряжения) составляет U_КК — U_вх, а при обратном направлении тока (нагрузка в таком случае может быть довольно странной, например, она может содержать переполюсованные батареи для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление) —U_вх — U_ЭЭ.

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.

4. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.

12.7. Операционные усилители

В УПТ прямого усиления отсутствуют компоненты, не поддающиеся микроминиатюризации. В связи с этим в настоящее время их изготавливают в виде интегральных микросхем. Очень распространенным типом таких усилителей является операционный усилитель (ОУ). Это название данный тип усилителей получил тогда, когда их использовали только для выполнения математических операций – суммирования, перемножения, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т.д. В настоящее время ОУ являются универсальными устройствами, используемыми для построения схем различных усилителей, генераторов, формирователей, преобразователей, активных фильтров, стабилизаторов напряжения, источников эталонного напряжения и большого числа других приборов.

Интегральный ОУ представляет собой УПТ прямого усиления с симметричным входом, большим коэффициентом усиления, широкой полосой пропускания, высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов и несимметричным выходом.

Независимо от сложности принципиальной схемы структурная схема ОУ содержит следующие основные функциональные узлы: входной каскад, промежуточный каскад – усилитель напряжения, схему сдвига уровня и выходной каскад – усилитель мощности (рис. 12.88).

Входной каскад представляет собой дифференциальный каскад, свойства которого определяют входные параметры всего ОУ. Некоторые варианты реализации дифференциальных каскадов представлены на рис. 12.89. На рис. 12.89а приведена схема простейшего дифференциального каскада на биполярных транзисторах. На рис. 12.89б изображен простейший дифференциальный каскад на полевых транзисторах. В этой схеме для повышения коэффициента усиления дифференциального сигнала вместо стоковых резисторов включены транзисторы VT3, VT4, внутреннее сопротивление которых в этом случае является нагрузкой основных транзисторов VT1, VT2.

Основным достоинством дифференциальных каскадов на полевых транзисторах является высокое входное сопротивление. Дрейфом по току в них практически можно пренебречь, однако дрейф по напряжению сравнительно большой.

Промежуточный каскад предназначен для согласования входного каскада с оконечным и создания максимального усиления напряжения. Большое усиление напряжения в одном каскаде можно получить только благодаря использованию динамической нагрузки.

Поэтому в интегральных ОУ промежуточные каскады в основном выполняются с динамической нагрузкой по схеме с общим эмиттером. Их схемы могут быть симметричными и несимметричными, причем последние получили более широкое распространение. В качестве усилительных элементов в промежуточных каскадах используются как одиночные транзисторы, так и составные. Некоторые варианты построения промежуточных каскадов представлены на рис. 12.90.

Выбор той или иной схемы промежуточного каскада зависит от требований к его входному сопротивлению и типу входа. Если требуется несимметричный вход и не требуется большое входное сопротивление, может быть применена схема, изображенная на рис. 12.90а, в которой в качестве усилительного элемента используется составной транзистор VT3, VT4. Динамической нагрузкой составного транзистора является диод VD и транзистор VT1. Конденсатор C предназначен для внутренней коррекции АЧХ ОУ. Если требуется получить весьма малое входное сопротивление и симметричный вход, может быть применена схема, приведенная на рис. 12.90б. Она содержит два усилительных транзистора VT1, VT2, которые включены по схеме с общей базой и позволяют получить предельно малое входное сопротивление при достаточно большом усилении, так как их динамическими нагрузками являются транзисторы VT3, VT5. На транзисторе VT6 реализован источник стабильного тока.

Схема сдвига уровня предназначена для согласования по уровню постоянного напряжения выхода промежуточного каскада с входом оконечного каскада, поскольку в УПТ с непосредственными межкаскадными связями, каким является ОУ, происходит увеличение постоянного потенциала от входа к выходу. Известно немало схем сдвига уровня на биполярных и полевых транзистора. Некоторые варианты реализации схем сдвига уровня представлены на рис. 12.91.

Схемы сдвига уровня представляют собой эмиттерный повторитель, нагруженный на делитель, состоящий из двух резисторов (рис. 12.91а). Однако обычный резисторный делитель будет делить (т.е. уменьшать в заданное число раз) как постоянный потенциал, который необходимо транслировать вниз, так и полезный сигнал, который надо усиливать. Чтобы избежать одинакового деления постоянного и переменного напряжения в делителе, включенном в эмиттерную цепь, применяют резистор и динамическую нагрузку, которая имеет разные сопротивления для постоянного и переменного токов, например стабилитрон (рис. 12.91б). В интегральных ОУ сдвиг уровня постоянного потенциала вниз чаще всего осуществляется с помощью эмиттерного повторителя, который нагружен на резистор и генератор стабильного тока ГСТ (рис. 12.91в).

Выходным каскадом ОУ является усилитель мощности, который должен обеспечивать минимальное выходное сопротивление, поэтому в качестве выходных каскадов ОУ используются эмиттерные или истоковые повторители. Для повышения энергетических показателей ОУ чаще применяются не однотактные, а двухтактные схемы. Двухтактные эмиттерные повторители реализуются чаще всего на комплементарной паре биполярных транзисторов с двумя источниками питания, причем как на одиночных комплементарных парах, так и на комплементарных парах на основе составных транзисторов. В связи с тем, что к выходному каскаду ОУ подключается нагрузка, необходимо защищать мощные выходные транзисторы от перегрузки, которая может быть вызвана неправильным выбором сопротивления нагрузки. Помимо того возможно короткое замыкание выхода ОУ на землю или шину питания. Поэтому в интегральных ОУ должна быть предусмотрена внутренняя защита от перегрузок и короткого замыкания. Некоторые наиболее простые варианты построения выходных каскадов представлены на рис. 12.92.

На рис. 12.92а приведена схема простейшего однотактного эмиттерного повторителя. Такие выходные каскады, дополненные схемами защиты от перегрузок, используются лишь в наиболее простых типах интегральных ОУ. На рис. 12.92б изображен двухтактный эмиттерный повторитель, выполненный на комплементарной паре VT1, VT2. Транзисторы VT3, VT4, включенные диодами, обеспечивают выбор рабочей точки транзисторов VT1, VT2 для работы в режиме класса AB с одновременной термостабилизацией.

Принципиальная схема простейшего интегрального ОУ типа К140УД1 представлена на рис. 12.93.

Первый каскад выполнен симметричным дифференциальным на транзисторах VT1, VT2, VT3. Вход 1 является неинвертирующим, вход 2 — инвертирующим. Если сигнал подается только на один вход, то второй вход присоединяют к общему проводу схемы через резистор с сопротивлением, равным сопротивлению источника сигнала. Транзистор VT3 и резистор R₃ исполняют роль источника стабильного тока. Следующий каскад на транзисторах VT5, VT6, является также дифференциальным и имеет несимметричный выход с коллектора VT6. Транзистор VT4, включенный диодом, стабилизирует режим работы каскадов усилителя. Транзисторы VT7, VT8 и резисторы R₉, R₁₀, R₁₂ входят в схему сдвига уровня. Сдвиг уровня напряжения здесь осуществляется делителем, образуемым резистором R₉ и цепью VT8, R₁₀ и R₁₂. Этот делитель подключен к несимметричному выходу второго дифференциального каскада через эмиттерный повторитель на транзисторе VT7. Такая схема сдвига уровня имеет большое входное сопротивление и малый входной ток (ток базы эмиттерного повторителя), что позволяет выбрать большое сопротивление резистора R₅ и получить высокий коэффициент усиления второго дифференциального каскада при малом ослаблении сигнала делителем. Выходным каскадом является эмиттерный повторитель на транзисторе VT9. Через резистор R₁₀ и транзистор VT8 в схему вводится положительная обратная связь, компенсирующая ослабление сигнала, вносимое схемой сдвига уровня. Диод VD1 обеспечивает защиту оконечных транзисторов от перегрузки при слишком высоком уровне сигнала.

Принципиальные схемы других интегральных ОУ выглядят гораздо сложнее, поскольку при разработке интегральных ОУ, как и любых аналоговых интегральных микросхем, используется принцип схемотехнической избыточности. Принцип схемотехнической избыточности заключается в усложнении схемотехники аналоговых интегральных схем для улучшения их качества, минимизации площади кристалла и повышения технологичности. Поэтому в аналоговых интегральных схемах избегают применения конденсаторов, занимающих большую площадь подложки, предпочитая решать проблемы согласования уровней каскадов и стабилизации их режимов в пределах более технологичной, хотя и усложненной, схемотехники структур с непосредственными связями. Стремление с помощью аналоговых интегральных схем как можно точнее реализовать аналоговые функции привело к созданию многотранзисторных структур, обладающих большой избыточностью усиления. Для стабилизации эксплуатационных и точностных характеристик в схемотехнике аналоговых интегральных схем широко применяется обратная связь. Для повышения надежности аналоговых интегральных схем их элементы обычно используются в существенно недогруженных режимах. Сказанное объясняет, почему принципиальные схемы аналоговых интегральных схем так отличаются от традиционных принципиальных схем на дискретных транзисторах.

Условное графическое обозначение ОУ как функционального элемента приведено на рис. 12.94.

Согласно ГОСТ 2.759 – 82 обозначения элементов аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на основе прямоугольника. Прямоугольник может содержать основное и одно или два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного.

В основном поле указывается функциональное назначение элемента, для ОУ это треугольник. Справа от треугольника может быть указан коэффициент усиления. Если конкретное значение коэффициента усиления несущественно, его допускается не указывать (можно также вписать знак бесконечности).

Выводы ОУ делятся на входные, выходные и выводы, не несущие функциональной нагрузки, к которым подключаются цепи напряжения питания и элементы, обеспечивающие нормальную работу ОУ.

Входы показывают слева, выходы – справа. Большинство ОУ имеют один несимметричный выход и два входа, симметричных по отношению к общему проводу. Прямые входы и выходы обозначают линиями, присоединяемыми к контуру графического изображения ОУ без каких-либо знаков, а с кружками в месте присоединения – инверсные входы и выходы.

Прямой вход еще называют неинвертирующим, так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданного на этот вход. Другой вход называют инвертирующим, так как фаза выходного сигнала сдвинута на 180 о относительно сигнала, поданного на этот вход. Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим выводам ОУ. Эти выводы в общем случае обозначают буквой U. Если питающих напряжений несколько, их условно нумеруют (U₁, U₂) и указывают каждое у своего вывода в дополнительном поле. Вместо буквы можно указывать номинальное значение напряжения и его полярность (например, метки +15 В и – 15 В). К вспомогательным выводам относятся выводы с метками FC – для подключения цепи частотной коррекции, выводы с метками NC – для подключения цепи балансировки по постоянному току, а также вывод металлического корпуса (┴) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

Для большей наглядности принципиальных схем допускается упрощенное обозначение ОУ (рис. 12.95), в котором сохраняется лишь основное поле и сигнальные выводы. Общий провод, играющий роль сигнального вывода, также может быть не показан.

По принципу действия ОУ сходен с обычным УПТ. Он также предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако ОУ создан специально для использования в схемах с глубокой обратной связью, так, чтобы параметры схемы определялись преимущественно параметрами цепи обратной связи, а сам ОУ был функционально незаметен. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному.

Идеальный (концепция идеализации) ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению и бесконечно большое входное сопротивление, а, следовательно, входной ток его равен нулю. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю, а, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном выходном напряжении входное напряжение должно быть близким к нулю. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высоких частот.

Эти свойства даже теоретически не могут быть достигнуты. Поэтому можно говорить лишь о степени приближения к идеальным свойствам. Близость параметров реального ОУ к идеальным определяет точность, с которой данный ОУ реализует свои функции в составе того или иного устройства.

Знание основных параметров позволяет выяснить ценность конкретного ОУ, быстро и правильно сделать выбор подходящего, проектировать устройства практически без макетирования, предотвращать работу ОУ в недопустимом режиме и уменьшать вероятность отказа.

Параметры ОУ можно разделить на несколько групп: входные, выходные, усилительные, энергетические и т.д. Однако наиболее часто их подразделяют на статические и динамические параметры.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ операционных услителей

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Операционный усилитель – это высококачественный универсальный многокаскадный УПТ с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

Считают, что коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала, коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико, отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения и его дрейф, скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика, выходное сопротивление равно нулю.

Эти свойства даже теоретически полностью не могут быть достигнуты, так как большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры. Поэтому в каждом случае можно говорить лишь о доступной степени приближения к идеальным свойствам.

8.1. Устройство операционных усилителей

Операционный усилитель (рис. 8.1), выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и выходной каскад (ОК).

Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.

За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе каскада до близкого к нулю значения и большое усиление по напряжению и по току. Усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току – для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада. В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады.

Оконечный (выходной) каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление каскада. Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют сложный эмиттерный повторитель.

Любой ОУ (рис. 8.2) имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (~~) для соединения с общим проводом ус
тройства, в которое входит в ОУ.

Питание схемы осуществляется от двух источников +U_п и –U_п с одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку. При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только выходного каскада, но

и входного. Два источника питания позволяют увеличить входное сопротивление дифференциального каскада, так как при двух источниках питания можно обойтись без резисторных делителей в базовых цепях или цепях затворов входных транзисторов, уменьшающих входное сопротивление каскада.

Рассмотрим устройство операционного усилителя на примере усилителя К140УД1 (рис. 8.3). Для К140УД1 характерно наличие двух дифференциальных усилительных каскадов. Первый: на транзисторах Т₁, Т₂ и Т₃, вход (Вх 1) – неинвертирующий, вход (Вх 2) – инвертирующий. При этом если используется только один вход, второй соединяется с выводом 4 через сопротивление R = R_{ист. сиг.}, так как R_{1 вх.}= R_{2 вх}.

Пара Т₃ — R₃ выполняет роль стабилизатора тока, подавляя синфазные сигналы усилителя. Второй дифференциальный каскад на транзисторах Т₅ и Т₆ имеет несимметричный выход с коллектора Т₆, а транзистор Т₄ включается по схеме диода. Он стабилизирует общую работу обоих каскадов. Схема сдвига уровня построена на транзисторах Т₇ Т₈ и резисторах R₁₀, R₉, R₁₂.

Сдвиг уровня выполняется делителем, состоящим из резистора R₉ и цепи Т₈, R₁₀, R₁₂. Схема сдвига уровня подключена к несимметричному выходу второго каскада. Подключение выполняется через эмиттерный повторитель на базе Т₇. Такое построение схемы сдвига уровня имеет не только большое входное сопротивление, но и малый входной ток, равный току базы Т₇. Из этого получается, что можно увеличивать R₅. В результате получаем высокий коэффициент усиления на втором каскаде.

Выходной каскад построен на эмиттерном повторителе на базе Т₉. С помощью резистора R₁₀ и транзистора Т₈ вводится положительная обратная связь для компенсации ослабления сигнала, которое вносится схемой сдвига. Диод Д₁ защищает оконечные транзисторы от перегрузки при высоком значении входного сигнала. Питание подается от двух источников по 6,3 В, включенных последовательно, или от одного источника 12,6 В.

Операционные усилители этой серии используются как усилители постоянного и переменного тока в полосе частот от 0 до 20 МГц. Когда требуется усиление широкополосного сигнала, этот усилитель охватывается глубокой обратной связью. При этом коэффициент усиления практически не зависит от параметров усилителя, и определяется лишь характеристиками обратной связи. Это верно лишь в данном диапазоне частот.

Лабораторная работа №3

Цель работы : закрепить теоретические знания по операционным усилителям. Научиться моделировать схемы на основе операционных усилителей с помощью программ Electronic Workbench. Научиться измерять: входные токи, напряжение смещения, входное и выходное сопротивления, время нарастания выходного напряжения операционных усилителей.

Используемое оборудование и средства : Персональный компьютер, программа Electronic Workbench.

Методические указания : Работа выполняется студентами за 4 часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа и один низкоомный выход, с глубокой обратной связью. Они выполняются в виде интегральных микросхем и предназначены для построения на их основе разнообразных функциональных узлов электронной аппаратуры (разнообразных усилителей, интеграторов, фильтров, генераторов, коммутаторов и проч.)

ОУ в своём составе имеет входной каскад, каскад сдвига уровня напряжения и выходной каскад.

Входной каскад выполнен по хеме (рис .1), которая имеет два входа. Если обеспечить

Рис. 3. 1 Входной каскад ОУ

условие R1=R2 и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2,то выходное напряжение будет равно разности входных напряжений, умноженной на коэффициент усилителя К .

Каскад сдвига уровня напряжения выполнен по схеме эмиттерного повторителя и исключает из сигнала уровень постоянной составляющей. Этим исключается искажение входного сигнала в усилителе.

Выходной каскад обеспечивает выходные характеристики ОУ.

На схемах интегральные ОУ обозначаются, как показано на рис.2.

Рис. 3. 2. Обозначение ОУ

Основными параметрами ОУ являются:

Средний входной ток I вх и разность входных токов D I вх :

I вх =(I 1 +I 2 )/2; D Iвх = I 1 -I 2 , (1)

где I 1 и I 2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов при отсутствии сигналов на входах ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами биполярных транзисторов, или токами утечки затворов полевых транзисторов, на которых выполнены входные каскады ОУ. Входные токи проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала и создают на нём падение напряжения. Это означает, что при отсутствии сигнала на входе ОУ имеется напряжение ( U вх ≠ 0), которое приводит к появлению выходного напряжения ( U вых ≠ 0).Чтобы избежать ошибки в работе ОУ это напряжение необходимо компенсировать.

Напряжение смещения U см – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения U см можно вычислить, зная выходное напряжение ( U вых ) при отсутствии входного сигнала и коэффициент усиления (К):

U см = U вых / K (2)

Коэффициент усиления напряжения постоянного тока К 0 показывает во сколько раз усиливается входной сигнал. У идеального ОУ К 0 ® ¥ . Для реальных схем коэффициент усиления напряжения вычисляется по формуле:

К=- R ос / R вх , (3)

где R ос и R вх соответственно , сопротивление обратной связи и входное сопротивление. Входное сопротивление R вх . Различают две составляющие R вх :

а) входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между входом и “землёй” ):

R вх.сф = D U вх.сф /Δ I вх.ср , (4)

где ΔU вх.сф – приращение входного синфазного напряжения за счёт приращения среднего входного тока Δ I вх.ср .

б) дифференциальное ( разностное) входное сопротивление:

R вх. диф = ΔU вх /ΔI вх , (5)

где ΔU вх – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI вх – изменение входного тока. Обычно R вх. диф = 10 кОм…10 МОм.

Выходное сопротивление R вых =20…2000 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения. Определяется временем за которое выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90%.

Усилители и повторители напряжения на ОУ . Основные схемы усилителей и повторителей напряжения показаны на рис. 3:

Рис. 3 .3 . Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители и повторитель напряжения (в) на ОУ

Усилитель (рис.3,а) называется инвертирующим потому, что его выходной сигнал находится в противофазе с входным. Коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот K (jω) этого усилителя определяются формулами:

K = – R ос / R 1; K ( j ω) = K /(1+ jω/ω гр ), (7)

где ω гр – граничная частота ОУ по уровню 0,707 K .

Для неинвертирующего усилителя (рис. 3, б) коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот равны:

K = 1+ R ос / R 1; K ( j ω) = K /(1+ jω/ω гр ), (8)

Частным случаем усилителя (рис. 3,б) является усилитель (рис. 3,в) с коэффициентом усиления K =1, поэтому его называют повторителем напряжения.

Сумматоры напряжений на ОУ. Схема суммирующего усилителя изображена на рис. 4:

Рис. 3. 4. Сумматор на ОУ

На основании схемы рис. 4 можно записать следующие выражения:

I 1 = U 1 /R 1 ; I 2 = U 2 /R 2 ; I ос = I 1 + I 2 = — U вых /R ос ;

U вых = — (I 1 + I 2 )R ос = — (U 1 /R 1 + U 2 /R 2 )R ос = (U 1 + U 2 ), (9)

где R = R 1 = R 2.

Дифференцирующие и интегрирующие ОУ. Дифференцирующие и интегрирующие устройства, созданные на основе ОУ изображены на рис. 5:

Рис. 3. 5. Интегрирующий (а) и дифференцирующий (б) ОУ

Для инвертирующего устройства (рис. 5,а) выходное напряжение определяется выражением:

Δ U вых /Δ t = — U вх / CR 1 (11)

Для дифференцирующего устройства (рис.5,б) выходное напряжение U вых пропорционально скорости изменения входного напряжения и равно:

2. Задание на подготовку к работе.

1. Изучить схемы входного и выходного каскадов ОУ.

2. Изучить параметры и характеристики ОУ, сумматора, интегратора и дифференцирующего ОУ.

3. Изучить порядок выполнения работы и нарисовать необходимые схемы и таблицы.

1. По какой схеме собран входной каскад ОУ?

2. Почему входной каскад ОУ называется дифференциальным?

3. Объясните причину возникновения входных токов.

4. Почему при отсутствии вхоных сигналов на входе ОУ напряжение на выходе не равно 0?

5. Чем обусловлено входное сопротивление ОУ по синфазному сигналу?

6. Объясните назначение напряжения смещения.

7. Какую роль в ОУ выполняет входной каскад?

8. Какую роль в ОУ выполняет каскад сдвига напряжений?

9. Напишите выражение для выходного напряжения интегратора.

4. Порядок выполнения работы.

1. Измерение входных токов ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 6;

включите схему, измерьте входные токи и заполните таблицу 1:

Рис. 3. 6. Схема для измерения входных токов ОУ.

Ток неинвертирующего входа

Ток инвертирующего входа