Основні показники операційних підсилювачів та вимоги до них

Операційний підсилювач (ОП) – це підсилювач, що виконується на базі диференціального підсилювача постійного струму і повинен відпоповідати таким вимогам:

– мати великий вхідний опір (ідеальний – );

– мати малий вихідний опір (ідеальний – 0);

– мати великий коефіцієнт підсилення (в смузі підсилення – нуль – одиниці МГц);

– забезпечувати підсилення як з інверсією сигналу, так і без інверсії;

– мати малий дрейф нуля.

Перша вимога дозволяє підключати ОП до будь-якого кола, не порушуючи його роботи. Друга вимога гарантує виконання ОП його функцій без відносно до величини і характеру навантаження, куди передається сигнал. Четверта забезпечує охоплення ОП зворотним зв'язком будь-якого виду (додатний чи від'ємний).

При виконанні усіх вказаних умов передатна характеристика усієї системи з великою точністю відповідає передатній характеристиці кола зворотного зв'язку і практично не залежить від параметрів ОП

.

Сучасна промисловість випускає багато типів інтегральних ОП, які мають малі габарити і масу, відносно дешеві і доступні.

Статичні і динамічні властивості ОП характеризуються сукупністю електричних параметрів, серед яких можна виділити:

– коефіцієнт підсилення (диференціальний)

;

– напруга зміщення () – напруга, яку необхідно прикласти між входами ОП для отримання нуля на виході;

– середній вхідний струм () – середнє арифметичне значення вхідних струмів, що вимірюється при такий вхідній напрузі, коли вихідна напруга дорівнює нулю

;

– різниця вхідних струмів, що вимірюється, коли напруга на виході ОП дорівнює нулю

;

– температурний дрейф вхідного струму – коефіцієнт, що дорівнює відношенню максимальної зміни вхідного струму ОП до зміни температури, що викликає зміну струму ;

– вхідний опір – опір одного з входів ОП, у той час як другий закорочений (вхідний опір диференціальному сигналу, );

– вхідний опір синфазному сигналу – величина, що дорівнює відношенню прирощення синфазної вхідної напруги до прирощення середнього вхідного струму ();

– коефіцієнт послаблення синфазного сигналу

,

де – коефіцієнт підсилення синфазної складової сигналу;

– коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення () –відношення зміни напруги зміщення до зміни однієї з напруг живлення, що викликає це зміщення;

– вихідний опір ()

;

– частота одиничного підсилення () – частота, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП дорівнює 1;

– гранична частота () – максимальна частота синусоїдального сигналу, при якому зберігається гарантований ефективний діапазон синусоїдальної вхідної напруги ОП;

– максимальна швидкість наростання вихідної напруги () – найбільша швидкість зміни вихідної напруги при прикладанні до входу ОП імпульсу прямокутної форми і максимальної амплітуди;

– напруга шуму ОП – містить три некорельовані складові: – складова, що зумовлена тепловим шумом (білий шум), – складова, що зумовлена дифузією неосновних носіїв; – складова, що викликана поверхневими явищами у напівпровідниках.

.

Типові амплітудні характеристики ОП () та амплітудно–частотні характеристики ОП подані на рис.2.1 – 2.2.

ОП, не дивлячись на складну внутрішню структуру, може розглядатися як цільний елемент з гарантованими вхідними і вихідними параметрами. В багатьох випадках ОП можна замінити ідеалізованою моделлю, що має нескінченно великий коефіцієнт підсилення по напрузі у необмеженій смузі частот і нескінченно малі вхідні струми і напруги зміщення. На рис.2.3 наведена еквівалентна схема реального ОП для НЧ.

Рисунок 2.1 – Амплітудні характеристики операційного підсилювача

Рисунок 2.2 – Амплітудно–частотна характеристика операційного підсилювача

Рисунок 2.3 – Еквівалентна схема операційного підсилювача (макромодель)

Колами, що поділені на сектори, на схемі позначені ідеальні підсумовувачі (чорний сектор означає інверсію вхідного сигналу).

2.2 Типові структури та каскади операційних підсилювачів

Схемотехнічно напівпровідникові інтегральні ОП частіше будуються за схемою прямого підсилення з диференціальними, однаковими за електричними параметрами, входами і двополярним (за амплітудою сигналу) виходом. Якщо немає сигналів керування, входи і виходи такого ОП знаходяться під нульовим потенціалом, тому ОП можуть безпосередньо охоплюватись колами ЗЗ і з'єднуватись послідовно.

Структурна і електрична принципова схема типового ОП (К140УД1) подана на рис.2.4 – 2.5. Структурна схема ОП може мати деякі відхилення, наприклад, може бути 3 каскади підсилення, може не бути схем захисту виходу ОП від КЗ.

Рисунок 2.4 – Типова структурна схема операційного підсилювача

ОП має два входи, які позначені + –, тобто неінвертувальний та інвертувальний. Джерело живлення, як правило, двополярне.

Перший диференціальний каскад(ДК) з генератором стабільного струму(ГСС) має невеликий робочий струм, для збільшення вхідного опору. Струм другого ДК (схема переходу до несиметричного виходу) не фіксується ГСС, цей каскад має великий коефіцієнт підсилення. Зміщенням на VT 6 і резисторі R 7, керується ГСС вхідного каскаду і ГСС схеми зміщення сталого рівня сигналу VT 8. Зміщення створюється за рахунок падіння напруги на резисторі R 9, через який протікає струм ГСС2 на VT 8. Вихідний сигнал знімається з виходу емітерного повторювача VT 9. Діод VD 1, що знаходиться під зворотним зміщенням, виконує функцію коректувальна ємності.

Основні параметри ОП К140УД1А наведені у таблиці 2.1.

ОП К140УД1А випускається вже досить давно і тому його параметри суттєво гірші за параметри сучасних ОП, перш за все це стосується вхідного опору, коефіцієнта підсилення, споживаної потужності.

Підвищення вхідного опору в ОП досягається використанням у вхідних каскадах БТ з високим коефіцієнтом підсилення у мікрострумовому режимі чи МДН транзисторів.

Кращі показники має ОП К153УД1, табл.2.1, його електричні характеристики дозволяють забезпечити використання у апаратурі різного призначення.

Рисунок 2.5 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К140УД1

Вхідний диференціальний каскад VT 1 – VT 2 працює в режимі мікрострумів, що дозволяє забезпечити великий вхідний опір ОП, рис.2.6.

Для забезпечення добрих показників вхідного ДК, схема другого каскаду також диференціальна, кожне плече реалізовано за модифікованою схемою Дарлінга з вхідним опором не менше 200 кОм, VT 3, VT 4, VT 5, VT 6.

Струм другого каскаду 0,6 мА створює на VT 10 у діодному включенні падіння напруги, що нормує струм VT 11. Другий каскад ОП симетрично навантажений на два емітерних повторювачі VT 7 та VT 8. Схема зміщення сталого рівня сигналу виконана на транзисторі VT 9. Вихідний каскад це двотактний емітерний повторювач VT 12, VT 13, VT 14, що працює у режимі класу В.

За допомогою ОП вдалося стандартизувати схеми багатьох пристроїв. Подальший розвиток ОП дозволив значно спростити методику їх застосування і підвищити точність встановлення передавальних функцій.

Таблиця 2.1

ПАРАМЕТРИ	К140УД1А	К153УД1
Напруга живлення, В:   Вхідна диференціальна напруга, В Синфазна вхідна напруга, В Напруга зміщення Різниця вхідних струмів , В Частота одиночного підсилення Час усталення, Вхідний диференційний опір	3 … 7 –7 …–3   –1,2…1,2 –3…3 17 мВ 2,5 мкА 500 – 4500 60 дБ 5 МГц 1,5 мкс МОм	–15     –10…10 5 мВ 250 нА 65 дБ 1 МГц – МОм

Для досягнення цієї мети було необхідним значно підвищити запас коефіцієнта підсилення і вхідний опір, звести до мінімуму кількість зовнішніх допоміжних елементів, покращити енергетичні показники ОП.

Для апаратури, що працює з батарейним живленням, економічність – параметр визначний. Для таких пристроїв випускаються мікропотужні ОП з цікавими властивостями: необхідне значення споживаного схемою струму, рівень вхідного опору і швидкодійність визначаються за програмою. Ці параметри залежать від номіналу зовнішнього резистора, який встановлює струм зміщення ОП (К153УД4, К710УД1). Мікропотужні ОП з параметрами, що вибираються за програмою, зручні у безкорпусному виконанні, коли кристал ОП монтується у мікрозборках. У таких випадках не завжди вдається гарантувати малий тепловий опір кристал–підкладки, тому їх потужність споживання не перевищує 1 – 10 мВт.

При розробці нових сучасних ОП слід звернути увагу на необхідність забезпечення деяких обмежень, що накладаються особливостями сучасної технології виготовлення ОП:

– невелике значення сумарного номіналу резисторів на підкладці;

– труднощі впровадження процесів підстроювання номіналів елементів;

– погана абсолютна точність номіналів резисторів від підкладки до підкладки;

– обмеження по тепловідведенні;

– труднощі виготовлення на одній підкладці транзисторів p–n–p і n–p–n структури.

Рисунок 2.6 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К153УД1

2.3 Застосування зворотного зв’язку у операційних підсилювачах для утворення пристроїв аналогової обробки сигналів

Передавальна функція підсилювача повинна забезпечити точне трансформування рівня вхідного сигналу у рівень сигналу при навантаженні.

Якщо підсилювач має струмовий вхід (забезпечує виконання умов для генератора струму сигналу) і струмовий вихід (генерує струм у навантаженні, тобто при будь-яких змінах навантаження рівень вихідного струму лишається сталим, а вихідна напруга прямопропорційна ), у такому випадку основна передавальна функція такого підсилювача – коефіцієнт підсилення за струмом (генератор стабільного струму).

Якщо пристрій має струмовий вхід, але на виході генерує напругу (напруга у навантаженні не залежить від опору навантаження, тобто вихідний струм прямопропорційний номіналу навантаження), то основна функція такого підсилювача – передаточний опір , і такий пристрій має назву – трансформатор опору.

Якщо підсилювач керується напругою, але у навантаженні генерується струм сигналу, то це трансформатор провідності .

Якщо підсилювач керується напругою і генерує у навантаженні стабільну напругу – це підсилювач напруги .

Розглянуті передавальні функції підсилювача можуть бути реалізовані різним застосуванням ВЗЗ.

Відомі чотири основні схеми введення ВЗЗ, рис.2.7(а, б, в, г).

а)

б)

в)

г)

Рисунок 2.7 – Зворотний зв’язок в операційних підсилювачах

Наведені схеми відповідно реалізують:

– послідовний ВЗЗ за напругою;

– паралельний ВЗЗ за напругою;

– послідовний ВЗЗ за струмом;

– паралельний ВЗЗ за струмом.

Для отримання напруги ВЗЗ, пропорційній струму, рис.2.7(в, г), використовується датчик струму , опір якого відповідає умові .

Основні параметри розглянутих схем наведені у табл.2.2.

Таблиця 2.2

Вклю- чення	Підсилювач	Схема, рисунок – 2.7	Основні передавальні функції	Вхідний опір	Вихідний опір
Неінвертувальне	Напруги	а		Великий	Малий
Трансформатор провідності	в		Великий
Інвертувальне	Трансформатор опору	б		Малий	Малий
Струму	г		Великий

Розглянуті варіанти схем використовуються для побудови практично усіх схем підсилювачів.

2.4 АЧХ та ФЧХ операційного підсилювача

АЧХ підсилювача з безпосередніми зв'язками практично рівномірна від постійного струму () до деякої частоти зрізу (). Спад характеристики у ВЧ області викликає інтерес до частоти, на якій коефіцієнт підсилення схеми по напрузі зменшується до одиниці. Смуга частот, що відповідає , зветься смугою одиничного підсилення (unity gain bandwidth).

ОП вміщує два–три каскади, кожний з яких може бути змодельований у вигляді RC –ланки, що утворюється великим вхідним опором каскаду і вхідною ємністю наступного каскаду. Тому передавальну функцію такого ОП можливо подати у такому вигляді

,

де – коефіцієнт передачі ОП на постійному струмі.

Швидкість падіння результувальної АЧХ ОП, рис.2.8(а), послідовно збільшується на – 20дБ/дек. ФЧХ одного каскаду ОП може бути подана у вигляді тангенсоїди = , яку у логарифмічному масштабі зручно апроксимувати зламаною лінією, що має стрибок – 90⁰ на частоті зрізу. Тому результувальна ФЧХ ОП послідовно збільшується на – 90⁰, рис.2.8(б).

Рисунок 2.8 – АЧХ та ФЧХ некоректованого операційного підсилювача

Помилки апроксимації діаграми Боде (АЧХ і ФЧХ, що побудовані з використанням логарифмічного масштабу) прямими лініями на частоті зрізу не перевищують для АЧХ 3дБ, а ФЧХ на частотах i відповідно +5.7⁰ і –5.7⁰.

2.5 Забезпечення стійкості операційних підсилювачів, що охоплені зворотним зв’язком

Для того, щоб виключити амплітудно–фазові спотворення у заданій смузі частот, необхідно в цій смузі забезпечити рівномірну АЧХ і лінійну

ФЧХ. Це досягається за допомогою ВЗЗ. Але, необхідно мати на увазі, що якщо лінія перетинає ділянку спаду АЧХ, що має швидкість падіння –40 або –60дБ/дек, зсув фази вихідного сигналу ОП відносно вхідного досягає – 180⁰ чи перевищує цю величину. Разом з початковим (схемотехнічним) зсувом фаз між інверсним входом і виходом ОП, що дорівнює – 180⁰, сумарний зсув фаз у колі ВЗЗ на частоті буде складати – 360⁰, що викличе самозбудження схеми, якщо на цій частоті коефіцієнт підсилення пристрою ще перевищує 1. Таким чином, для ОП, що має АЧХ вказаного типу, недоцільно забезпечувати глибину ВЗЗ більшу, ніж , оскільки безпосередньо за другою частотою зламу сумарний фазовий зсув у колі ВЗЗ буде додатний (тобто, до зсуву фаз між інвертувальним входом і виходом ОП додається внутрішній зсув, більший за 180⁰) і схема самозбуджується.

Тому основна вимога забезпечення стійкості пристрою на некоректованому ОП така: пряма, що відповідає підсиленню , яке вимагається від пристрою на ОП із замкненим колом ВЗЗ, повинна обов'язково перетинати ділянку АЧХ з нахилом –20 дБ/дек. Ця вимога відповідає максимально можливому запасу фази у колі ВЗЗ до самозбудження (для частоти запас фази 90⁰, а для – 0⁰). У більшості випадків може бути достатним і менший запас фази на самозбудження, тому у підсилювачах з замкненим колом ВЗЗ вдається використовувати також частину ділянки з нахилом –40дБ/дек. В цьому випадку АЧХ підсилювача буде мати викид поблизу частоти , а на перехідній характеристиці з'явиться значний викид, що характерний для систем з відносною стійкістю.

Цю вимогу дуже важко забезпечити, коли ОП включений як повторювач напруги оскільки при цьому коефіцієнт передачі у колі ЗЗ дорівнює коефіцієнту передачі при розімкненому колі ЗЗ.

Максимальний запас фази на самозбудження особливо бажаний у тих випадках, коли навантаження схеми у процесі роботи змінюється чи має ємнісний характер. У останньому випадку вихідний опір ОП утворює з фазозсувне коло, внаслідок чого можливе самозбудження навіть у тому випадку, якщо ОП має деякий запас стійкості за фазою.

Усунути самозбудження схеми на ОП можливо за рахунок зрізання зайвої смуги підсилення, щоб сумарна (результувальна) АЧХ ОП проходила з нахилом –20 дБ/дек через точку одиничного підсилення . Зсув фаз у такому підсилювачі на всьому ВЧ спаді сталий і дорівнює 90⁰. Такий ОП має повністю оптимально скоректовану частотну характеристику і зветься скоректованим ОП. Зміна АЧХ трикаскадного ОП за допомогою RC –ланок з різними номіналами елементів показана на рис.2.9.

Для кожного конкретного типу ОП рекомендується відповідний набір RC –ланок, що підключаються до спеціальних високоомних точок схеми ОП. Ці точки вибираються з таким розрахунком, щоб зменшити номінали елементів кола корекції. У ряді випадків ОП випускаються постійно скоректованими. У коректованому ОП критерій стійкості задовольняється навіть тоді, коли вони включаються за схемою повторювача. В таких ОП за допомогою простої резистивної ланки у колі ВЗЗ можна отримати будь-яке значення коефіцієнта підсилення і при цьому не буде виникати самозбудження. Коректувальні ланки можуть підключатися до входів ОП. ОП з більше ніж двома ланками корекції зустрічаються рідко, оскільки таким чином ускладнюється проектування, регулювання і експлуатація апаратури. Номінали коректувальних ланок і відповідні діаграми Боде наводяться у інструкціях з застосування конкретних ОП.

Рисунок 2.9 – Корекція АЧХ операційного підсилювача RC –ланками

Дата добавления: 2014-01-06