Назначение и свойства операционного усилителя

Т 8.2. Операционный усилитель

На современном этапе развития схемотехники при проектировании электронных устройств используются не только дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и т.п.), но и законченные функциональные узлы, выполненные в виде электронных схем. Это позволяет значительно улучшить практически все показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки её проектирования.

В настоящее время основным схемотехническим элементом интегральной аналоговой электроники является операционный усилитель (ОУ). История этого названия связана с тем, что операционные усилители были разработаны для выполнения математических операций в аналоговой вычислительной технике. Сейчас область применения ОУ значительно расширилась, но название по традиции осталось.

Доказано, что для повышения точности выполняемых операций необходимо построить усилитель так, чтобы его электрические параметры удовлетворяли следующим требованиям:

- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

- входное сопротивление стремится к бесконечности ();

- выходное сопротивление стремится к нулю;

- если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение тоже равно нулю;

- бесконечная полоса усиливаемых частот.

Являясь по существу идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микросхемотехники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств.

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, имеющая как минимум пять выводов. Её условное графическое обозначение приведено на рис. 1,а.

Рис. 1. Условное графическое изображение ОУ

Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источников питания, в схемах они часто не используются. Первый вход называется неинвертирующим, а вход второй – инвертирующим (прямой и инверсный).

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Е_ИП1, -Е_ИП2). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В…±18 В.

Для того чтобы можно было оценить на сколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу ознакомимся с их основными техническими характеристиками.

Коэффициент усиления по напряжению характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его вход дифференциальный сигнал U_Д.

(1)

Этот параметр часто называют собственным коэффициентом усиления ОУ, т.е. усиления при отсутствии обратной связи. Он имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 10⁴ до 10⁶.

На рис. 2,а показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от дифференциального сигнала U_Д.

В диапазоне U _{вых min}<U _вых <U _выхmax оно зависит от U_Д почти линейно. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом_. U_Д соответствующего увеличения U_ВЫХ не происходит. Границы области усиления U _{вых min} и U _{вых max} отстоят на достаточно заметную величину от положительного и отрицательного напряжений питания. При работе ОУ с напряжениями питания ±15 В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет ±12 В.

Передаточная характеристика идеального ОУ должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 2,а штриховой линией, для реальных ОУ эта характеристика несколько сдвинута. Таким образом, для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход ОУ некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля U_СМ0 (напряжение разбаланса в ДУ). Оно составляет обычно несколько милливольт и иногда может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю. Поэтому во многих интегральных ОУ предусмотрены специальные выводы «Баланс».

Рис. 2. Передаточные характеристики ОУ

После устранения напряжения смещения нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от температуры, напряжения питания и времени (старение).

В дальнейшем будем предполагать, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и характеристика передачи проходит через начало координат. Тогда пределах динамического диапазона выходное напряжение ОУ пропорционально разности напряжений.

(2)

При подаче на входы синфазных напряжений в соответствии с (2), выходное напряжение должно равняться нулю. Однако, это не вполне соответствует действительности, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала ОУ

не строго равен нулю. Как видно из рис. 6.16,б, при некоторых достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Используемый диапазон от U_{CФ min} до U_{CФ max} называется областью ослабления синфазного сигнала. Как правило, её границы на 2…3 вольта ниже (по модулю) уровней напряжений питания.

Неидеальность ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_{П СФ}. Как и в дифференциальном усилителе он показывает, какое значение дифференциального входного напряжения следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала на выходе усилителя.

, при U_ВЫХ – const.

Его типовые значения составляют 10⁴…10⁵.

Операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причём это требование должно выполняться по меньшей мере вплоть до частоты одиночного усиления f_{1 ОУ}, при которой модуль коэффициента усиления по напряжению Для выполнения этого требования схема ОУ должна содержать ФНЧ (инерционную цепь) с очень низкой частотой среза f_{В ОУ}. На рис. 3 представлена типичная частотная характеристика ОУ скорректированная таким ФНЧ.

Рис. 3. Типовая частотная характеристика ОУ

На частотах ниже f_{В ОУ} усиление максимально

дБ.

На граничной частоте f_{В ОУ}, которая соответствует границе полосы пропускания, усиление ниже на 3 дБ. Выше частоты f _1ОУ коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне выполняется соотношение

(3)

На частоте единичного усиления f_{1 ОУ} коэффициент равен единице (0 дБ). Как следует из (3), частота f_{В ОУ} равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Обычно это единицы, десятки мегагерц.

Реальные операционные усилители имеют конечную величину сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала R_ВХД и входное сопротивление для синфазного сигнала R _{ВХ СФ}. У ОУ на биполярных транзисторах R_ВХД составляет несколько мегом, а R _{ВХ СФ} до нескольких гигаом.

Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка единиц, десятков наноампер. Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы ОУ (токи смещения). Как правило, это единицы микроампер … сотни наноампер. Для ОУ с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, начальный входной ток составляет всего несколько наноампер.

Выходное сопротивление R_ВЫХ – это сопротивление операционного усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение R_ВЫХ – сотни ом.

Максимальная скорость изменения напряжения (V_max) характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Наличие максимальной скорости сигнальных изменений на выходе является следствием инерционности ОУ. Для синусоидального сигнала значение этой скорости определяется произведением амплитуды выходного сигнала на частоту.

Из этого соотношения следует, что на частоте невозможно получить на выходе ОУ синусоидальный сигнал с амплитудой превышающей U_{m ВЫХ}.

Типовое значение скорости изменения выходного напряжения – единицы вольт/микросекунда.

Кроме перечисленных обычно задаются и предельно допустимые значения основных эксплуатационных параметров, таких, как, например: максимально допустимое напряжение питания, максимально допустимая рассеиваемая мощность и др.

В зависимости от того, какие параметры в наибольшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ вся номенклатура ОУ подразделяется на классы. Например, класс быстродействующих ОУ объединяет операционные усилители, обладающие пониженной инерционностью (повышенной широкополосностью). Они используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Их основные параметры: V_max ≥ 30 В/мкс, f₁ ≥ 10 МГц. Представителем этого класса ОУ является интегральная схема К154УД: V_max = 80 В/мкс, f₁ = 15 МГц, U_{СМ 0} = 9 мВ.

Для усиления малых электрических сигналов используются прецизионные (высокочастотные) ОУ, которые по своим свойствам в наибольшей степени приближаются к идеальным УПТ. Они характеризуются малым значением напряжения смещения нуля и его температурным дрейфом, большим коэффициентом усиления и подавлением синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, они имеют невысокое быстродействие. Их основные параметры: U_СМо ≤ 250 мкВ; ∆U_СМо/∆Т ≤ 5 мкВ/град; K_Uo ≥ 150 тыс.

Например, К140УД24: U_СМо = 5 мкВ; ∆U_СМо/∆Т = 0,05 мкВ/град; K_Uo = 10⁶; I_BX = 0,01 нА; f_{1 ОУ} = 0,8 мГц; V_max = 2 В/мкс.

Операционные усилители общего применения характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (U_СМо – единицы милливольт, ∆U_СМо/∆Т - десятки милливольт на градус, K_Uo - десятки тысяч, V_max - до единиц вольт на микросекунду).

К140УД2: U_СМо = 5 мВ; ∆U_СМо/∆Т = 2 мкВ/^оС; K_Uo = 2,5тыс; I_BX = = 1100 нА; f_{1 ОУ} = 14 мГц; V_max = 6 В/мкс.

Мощные и высоковольтные ОУ имеют выходной ток более 100 мА и выходное напряжение не менее 15 В.

К1040УД24: U_СМо = 50 мВ; U_ВЫХ = 22,5 В; I_ВЫХ = 0,5A; K_Uo = 1000; Е_ИП = 25 В; f_{1 ОУ} = 0,3 мГц; V_max = 2 В/мкс.

В случаях, когда потребляемая мощность жёстко лимитирована, используются микромощные ОУ, у которых ток потребления I_ПОТ ≤ 1 мА.

К154УД1: U_СМо = 3 мВ; I_ПОТ = 0,12мA; K_Uo = 150000; Е_ИП = ± 15 В; f_{1 ОУ} = 0,3 МГц; V_max = 10 В/мкс.

Дата добавления: 2014-01-20