Усилители постоянного тока и операционные усилители (стр. 4 из 5)
¨ большой коэффициент усиления по напряжению (в идеале КÞ¥);
¨ большое входное сопротивление (в идеале RвхÞ¥);
¨ нижняя частота усиливаемых сигналов fн = 0.
Последний параметр указывает на то, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока. Объясняется это требование тем, что одной из распространенных математических операций есть действия с константами, например, сложения переменных с константами. В этом случае математическая переменная будет реализовываться изменяющимся сигналом, константа – постоянным. В настоящее время сфера применения ОУ значительно расширилась и во многих случаях требование fн = 0 не является обязательным и даже иногда вредным. Однако превратить УПТ в усилитель переменного тока можно достаточно просто (например, вводя разделительные емкости). Поэтому большинство массовых операционных усилителе выпускаются как усилители постоянного тока.
Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 7.1. В обозначении функции (¥> – усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления) первый символ (¥) часто опускается.
Рисунок 7.1. Условное обозначение операционного усилителя
Операционные усилители имеют два входа (инвертирующий и не инвертирующий) и один выход. Таким образом, ОУ является дифференциальным усилителем. Это позволяет при «математическом» варианте использования усилителя достаточно просто осуществить операцию вычитания, при иных – улучшить многие параметры устройства, например, избавляться от синфазного сигнала, реализовывать цепи как положительной так и отрицательной обратной связи и т.п. На схеме инвертирующий вход обозначают кружком.
Обычно операционные усилители имеют два вывода подключения питания минусЕ и плюсЕ. Выводы, служащие для коррекции нуля операционных усилителей, обозначаются символами NC (NullCorrection) а те, к которым подключаются элементы частотной коррекции FC (FrequencyCorrection).Более подробная информация о назначении таких выводов будет приведена далее. Следует отметить, что в некоторых типах ОУ выводы коррекции могут отсутствовать. Обозначения функций выводов могут быть как отделены от основного поля , так и не иметь ограничительных линий.
Первые операционные усилители выполнялись на электронных лампах, в настоящее время они изготовляются в интегральном исполнении в виде микросхем (МС). Благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости, операционные усилители в настоящее время вытесняют транзисторные схемы при проектировании аналоговых устройств. Многие МС, выполняющие сложные функции по обработке аналоговых сигналов, строятся на основе схем, близких к схемам ОУ, либо включают в себя ОУ в виде собственных фрагментов.
2.2. Структурная схема ОУ
Операционный усилитель обычно выполняется по схеме усилителя напряжения из нескольких каскадов и состоит из нескольких десятков биполярных или полевых транзисторов, резисторов и иногда конденсаторов. Очень широко в ОУ используются источники тока (для увеличения коэффициентов усиления, задания рабочих точек и т.п.). Входной каскад выполняется по дифференциальной схеме. Ее типовое изображение (за исключением резисторов, подсоединяющих базу к земле) представлено на рисунке 6.7,б. Использование двуполярных источников питания позволяет обеспечить подачу двух входных сигналов, напряжение которых отсчитывается относительно общей земли. Во многих применениях один из входов непосредственно (или через внешний резистор) соединен с землей.
Выходной каскад строится по одной из схем двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности (см. раздел 5). затем включается каскад с общим эмиттером и на выходе ОУ –эмиттерный повторитель. Как правило, выходной каскад имеет схему защиты от перегрузок по току.
Для того, чтобы обеспечить нулевое значение выходного напряжения при отсутствии входных сигналов (см. напряжение смещения нуля в разделе 5), в ОУ имеется узел, задачей которого является понижение напряжения с выхода ДУ (с коллектора выходного транзистора) до нуля. Зачастую этот «преобразователь уровня» выполняется в виде активного усилительного каскада.
Следует отметить, что иногда в категорию ОУ включаются усилители, выполненные как усилители тока или как УПТ МДМ, имеющие другую внутреннюю структуру, но характеризующиеся значениями параметров, указанными выше.
2.3. Основные характеристики и параметры ОУ
Подавляющие большинство ОУ, как было сказано в предыдущем параграфе,имеет на входе дифференциальный каскад, поэтому в ОУ различают инвертирующий и неинвертирующий входы (так же, как и в дифференциальных УПТ). Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов, его дифференциальный коэффициент усиления Кдиф, как уже отмечалось выше, является весьма большим. Обычно его значение лежит в диапазоне 10000 … 100000 (80 … 100 дБ), и в новых ОУ имеет место тенденция к увеличению. Типовая амплитудно-частотная характеристика ОУ приведена на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ
Так как операционный усилитель представляет собой УПТ, поэтому его АЧХ имеет ненулевой коэффициент усиления на нулевой частоте. И указанные выше (и/или в технических условиях) коэффициенты усиления соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц. Затем, коэффициент усиления начинает уменьшаться со «скоростью» минус 20 дБ/декаду (6 дБ/октаву). Возможно увеличение скорости спада до минус 40 дБ/дек. и более. Эти точки перегиба стараются разместить на частотах выше так называемой частоты единичного усиленияF1 – частота, на которой модуль коэффициента усиления равен единице. Типичное значение F1 равно 1 ... 10 МГц. Точки перегиба соответствуют верхним частотам отдельных каскадов усилителя и устанавливаются при проектировании ОУ.
Кроме дифференциального входного сигнала, на ОУ может быть подан и синфазный входной сигнал, который, в результате несовершенства реальных схем, также проходит на выход. Характеристикой такого возможного проникновения является коэффициент ослабления синфазной составляющейКОСС, который показывает во сколько раз коэффициент усиления синфазного сигнала меньше коэффициента усиления дифференциального сигнала:
. (7.1)Типичные значения КОСС – 60 … 80 дБ, некоторые ОУ имеют – не менее 120 дБ.
Значительные величины как дифференциального, так и синфазного сигнала могут привести к пробою входных цепей и к выходу усилителя из строя. Поэтому их максимальные значения регламентируются в технической документации на ОУ. Обычно максимальные значения дифференциального входного напряжения равны значению источника питания ОУ, однако, для некоторых схем ОУ их величина не может превышать ±0,5 В.
Такие же ограничения необходимо выдерживать и для синфазного входного напряжения, но в большинстве ОУ их величина может быть большей, чем дифференциальное входное напряжение. Типичное значение максимального синфазного напряжения обычно равно напряжению питания, однако в некоторых случаях одно из них (положительное или отрицательное в зависимости от схемы входного каскада) может быть и больше.
При рассмотрении входных сопротивлений различают дифференциальное и синфазное входные сопротивления. Дифференциальное входное сопротивление обычно составляет величину порядка 1 … 10 МОм, а синфазное – на несколько порядков больше. Входные сопротивления значительно увеличиваются в ОУ с полевыми транзисторами на входе.
Дифференциальное входное сопротивление измеряется между инвертирующим и неинвертирующим входом, а синфазное – между закороченными входами и землей. Эквивалентные схемы входных цепей ОУ представлены на рис. 7.2. На рисунке синфазное входное сопротивление показано в виде двух резисторов, сопротивление которых в два раза больше Rсин
Операционный усилитель является усилителем постоянного тока, поэтому, для него характерны ограничения свойственные всем УПТ. В частности, как и для любых УПТ, емусвойственны параметры, приводящие к появлению на выходе напряжения даже при нулевом дифференциальном напряжении на входе. Как показано в предыдущем разделе, к таким параметрам относятся:
¨приведенное ко входу напряжение смещения (нуля);
¨входные токи (смещения);
¨разность входных токов (смещения),
а также изменение этих параметров (дрейф) от воздействия различных дестабилизирующих факторов. В справочниках наиболее часто приводят дрейф параметров при изменении температуры.
Разброс значений этих параметров, прежде всего, определяется типом используемых в ОУ транзисторов. Типичные значения входного напряжения сдвига для ОУ общего назначения – 1 … 10 мВ при построении на биполярных транзисторах и больше 10 мВ – на полевых. Обусловлено это большей сложностью обеспечить идентичность параметров полевых транзисторов. Для прецизионных ОУ, в которых используются специальные технологические меры для балансировки каскадов (например, лазерная подгонка резисторов) или специальные схемотехнические меры (динамическая компенсация входных погрешностей), эта величина может быть на порядок меньше. Типичные величины дрейфа нуля при изменении температуры – 1 … 10 мкВ/°С, а для прецизионных ОУ – в десятки раз меньше.