Операционные усилители. 
Электроника и микроэлектроника: импульсная и цифровая электроника

Определение, свойства и структура операционного усилителя.

Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (до 10¹⁰ раз) коэффициентом усиления и в большинстве случаев несимметричным выходом (есть ОУ с симметричным выходом).

Первоначально операционные усилители применяли в аналоговой вычислительной технике для выполнения различных математических операций (суммирования, умножения, дифференцирования, интегрирования и т. д.), что и определило его название. Операционный усилитель называли «решающим усилителем».

Создание дифференциальных усилительных каскадов в интегральном исполнении позволило решить задачу построения универсальных интегральных микросхем — операционных усилителей на интегральных микросхемах. В настоящее время выпускается широкая номенклатура ОУ, в том числе предназначенных для усиления сигналов различных датчиков, радиоэлектронных и технических устройств, а также фотоприборов, включающих в себя фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Применение ОУ существенно упрощает построение радиоэлектронных устройств и использование фотоприборов для решения задач импульсной техники.

Операционный усилитель на интегральных микросхемах — это высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач усиления, преобразования, обработки, детектирования, формирования сигналов, фильтрации и т. д. Вместе с тем ОУ обеспечивает качественное усиление по постоянному току, поэтому его часто называют усилителем постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом и однофазным выходом. Постепенное совершенствование и рост выпуска ОУ в виде микросхем сделали их универсальными элементами электронных устройств.

Современный ОУ выполняется в виде интегральной микросхемы. Иногда в одной ИМС содержится несколько ОУ. Операционный усилитель никогда не включают без отрицательной обратной связи. При этом уменьшается коэффициент усиления каскада, но расширяется спектральный диапазон с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, уменьшаются нелинейные искажения, улучшаются функциональные характеристики каскада. Характеристики каскада ОУ на базе ИМС в основном определяются свойствами цепи отрицательной обратной связи.

Иногда в литературе ИМС ОУ называют операционным усилителем без обратной связи, а ОУ — операционным усилителем с обратной связью. Термином «операционный усилитель» называют как интегральную схему, так и сам усилитель с использованием ИМС ОУ. Далее под ОУ будем понимать ИМС ОУ или усилитель с ИМС ОУ, что легко различить по контексту.

К выводам ИМС ОУ, кроме цепи обратной связи, присоединяются питание, нагрузка, источники сигналов и другие цепи. Операционный усилитель является усилителем постоянного напряжения, т. е. его амплитудно-частотная характеристика не имеет завала в области низких частот, так как ИМС ОУ не содержит разделительных конденсаторов. Чтобы при отсутствии входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (к потенциалу «земли»), для питания ОУ используют двуполярный источник (обычно симметричный, например, с ?/=±15 В).

Электрическая схема ИМС ОУ разделена на каскады и имеет два входных вывода: инвертирующий и неинвертирующий (рис. 3.31). Инвертирующий вход называют отрицательным входом (-), а неинвертирующий — положительным (+). Иногда напряжения на этих входах соответственно обозначают ?/_ и ?/₊. При этом напряжение на выходе ОУ является инвертированным по отношению к сигналу, поданному на отрицательный вход, и неинвертированным по отношению к сигналу, поданному на положительный вход.

Если на входные выводы ИМС ОУ поступают соответственно напряжения U1 и ?/*, то из них можно выделить синфазный (?/_сф) и дифференциальный (U_A) сигналы. Синфазный сигнал соответствует среднему значению напряжений двух сигналов, одинаковых по знаку, приложенных к обоим входным выводам:

Дифференциальный (разностный) сигнал соответствует разности напряжений двух сигналов, одинаковых по знаку:

Основой ОУ является усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Операционный усилитель имеет большое входное Я_ъх и малое выходное Я_шх сопротивления, дифференциальный вход и однофазный выход. Поскольку ОУ предназначен для работы от различных источников сигналов, внутреннее сопротивление которых меняется в широких пределах, входное сопротивление ОУ должно быть как можно больше, а выходное по возможности меньше, чтобы различные нагрузки не шунтиро;

Рис. 3.31. Электрическая схема интегральной микросхемы операционного усилителя (а) и ее условно-графическое изображение (б):

I… IV — каскады.

вали выходной сигнал ОУ. ИМС ОУ обладает высокой стабильностью, низким уровнем шумов, малым дрейфом нуля и широкой полосой пропускания.

Микросхема ОУ состоит из четырех каскадов: входной, промежуточный, смещения уровня напряжения и выходной.

Входной каскад представляет собой высокочувствительный дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 и VT2 с одинаковыми коллекторными резисторами Rl, R2. В общей эмиттерной цепи транзисторов VTI и VT2 находится генератор стабильного тока, выполненный на транзисторах VT3, VT4 и резисторах R3, R4. Благодаря такой схеме ОУ имеет большое входное сопротивление, малый уровень дрейфа нуля, большой линейный участок амплитудной характеристики и широкую полосу пропускания. Различные варианты дифференциальных усилителей работают в широкой полосе частот от 0 до 10⁶ Гц с коэффициентом усиления в несколько десятков или сотен и входным сопротивлением не менее 50 кОм.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления дифференциального сигнала, т. е. разности напряжений, приложенных к входам. При полной идентичности плеч усилителя напряжение между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 в отсутствие сигналов на входах равно нулю. При идеально стабильном токе /, коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 не могут одинаково изменяться в одну сторону, т. е. каскад не реагирует на синфазный сигнал. При идентичных плечах коллекторные напряжения равны и при таком сигнале не изменяются.

Транзисторы во входном каскаде работают в режиме микроамперных токов. За счет этого повышается входное сопротивление, но снижается коэффициент усиления каскада. Кроме того, на искажения сигнала в ОУ наибольшее влияние оказывают изменения напряжений во входном каскаде, связанные с нестабильностью температуры, питающих напряжений, старением элементов и т. п. Эти изменения усиливаются последующими каскадами. Поэтому основные меры, уменьшающие влияние дестабилизирующих факторов, принимаются во входном каскаде. К ним относятся: снижение шумов, обеспечение идентичности транзисторов и резисторов в плечах дифференциального усилителя и стабилизация тока.

Промежуточный каскад представляет собой усилитель напряжения, выполненный по схеме дифференциального усилителя на транзисторах VT5, VT6 и резисторах R5, R6, R7. Его эмиттерный ток не стабилизирован, и он имеет одиночный выход с коллектора транзистора VT6. Промежуточный каскад обеспечивает основное усиление ОУ по напряжению. В качестве дополнительных промежуточных каскадов усилителя напряжений обычно используют дифференциальные каскады на биполярных транзисторах или простейшие усилители, за которыми следуют каскады сдвига уровня на повторителях напряжения.

В некоторых ИМС ОУ к коллектору второго плеча дифференциального усилителя присоединяют нагрузку, эквивалентную по величине нагрузке первого плеча, для симметрии плеч дифференциального усилителя напряжения.

Каскад смещения уровня осуществляет необходимый сдвиг уровня постоянного напряжения для получения нулевого напряжения на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала. Он необходим из-за отсутствия в схеме разделительных конденсаторов, на которых выделялись бы постоянные составляющие напряжений.

Потенциал на коллекторе транзистора VT6 (инвертор) смещается вниз на сумму напряжений его базы и напряжения на резисторе R7. Это смещение осуществляет эмиттерный повторитель на транзисторе VT7 и резисторе R8. Ток, проходящий через транзистор VT1, обеспечивает генератор стабильного тока, собранный на транзисторах VT8 и VT9 (в диодном включении) и резисторах R9, R10 и R11.

Последующий усилитель напряжения на транзисторе VT10 и резисторе R12 выполнен по схеме с общим эмиттером. Он осуществляет сдвиг постоянного уровня вверх на величину напряжения между коллектором и базой. Результирующий сдвиг равен постоянному напряжению на коллекторе транзистора VT6.

Выходной каскад выполнен на комплементарных р—р— и п — р — //-транзисторах VT11 и VT12, работающих в режиме эмиттерных повторителей. Это обеспечивает высокое входное и малое выходное сопротивления каскада, а также большое усиление по току (мощности). Так как постоянное напряжение на базах близко к нулю, то один из транзисторов работает при положительном сигнале, поступающем на базы, а другой — при отрицательном. В качестве выходного каскада часто применяют повторители напряжения (эмиттерный или истоковый).

Основные параметры ИМС ОУ. 1. Коэффициент усиления напряжения К у — это отношение изменения выходного напряжения Д{/_вых к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения ДU_tx:

где А?/_вх = ?/" = (?/.- U.).

Интегральные микросхемы операционных усилителей имеют коэффициенты усиления от тысяч до нескольких миллионов.

2. Входное напряжение смещения U_CM — это дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное (но модулю) значение напряжения U_CM для ОУ, входные ступени которых выполнены на биполярных транзисторах, равно примерно 3… 10 мВ. Если на входе ОУ использованы полевые транзисторы, ?/_см равно 30… 100 мВ. Значение ?/_см зависит от температуры и напряжения питания.

• 3. Средний входной ток /_вх — это среднее арифметическое значение тока инвертирующего и неинвертирующего входов усилителя, измеренное при таком входном напряжении, при котором выходное равно нулю. Входные токи — это токи смещения баз (в биполярных транзисторах), обеспечивающие рабочий режим, или токи утечки затворов (в полевых транзисторах). Средний входной ток ОУ с входными ступенями на биполярных транзисторах примерно равен 0,1… 1,0 мкА. При использовании полевых транзисторов входной ток не превышает 1 нА.
• 4. Разность значений входного тока Д/_вх — это абсолютная разность значений токов обоих входов усилителя, измеренная при напряжении на выходе ОУ, равном нулю. Эта разность характеризует степень симметрии входных ступеней ОУ.
• 5. Входное сопротивление R_BX — это совокупность двух составляющих: входного сопротивления сигналу, измеряемому между входами (так называемого дифференциального входного сопротивления R_{BX д}), и входного сопротивления синфазному сигналу (сопротивления утечки R_y между входом и общим проводом). Входное дифференциальное сопротивление биполярных ОУ находится в пределах от 10 кОм до 10 МОм, а синфазное составляет более 100 МОм.
• 6. Коэффициент усиления синфазного сигнала К_сф — это отношение изменения выходного сигнала Д и_шх к значению синфазного напряжения на входе.
• 7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф — это отношение коэффициента усиления напряжения К_у к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_сф, А^._Сф = 60…80 дБ. Чем больше Косс*, тем меньшую разность входных сигналов сможет различать ОУ на фоне большого синфазного напряжения.
• 8. Выходное сопротивление R_Bhlx определяется выходным каскадом и обычно составляет 100…500 Ом.
• 9. Частота единичного усиления f — это частота, на которой ИМС имеет коэффициент усиления К_у = 1; обычно/] = 1… 10 МГц.
• 10. Частота среза/. — это частота, на которой коэффициент усиления составляет 0,7 коэффициента усиления К_у постоянного напряжения. Обычно значения / находятся в диапазоне сотен герц — сотен килогерц. При наличии обратной связи / увеличивается в АуАос раз, где К_ос — коэффициент передачи доли выходного напряжения, передаваемой по цепи обратной связи на вход.

Так как для усилителя постоянного тока нижняя граничная частота/, = 0, то ширина полосы пропускания Д/⁷ равна верхней граничной частоте /_в, так как Д/^г = /_в -/,. Поэтому для ИМС ОУ разность частот/_в и / нередко называют соответственно полосой единичного усиления и полосой на уровне 0,7.

11. Скорость нарастания выходного напряжения U= Д (/_ВЬ1Х/Д/ измеряется при подаче ступенчатого напряжения на вход ИМС ОУ и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход, причем (/=0,1…5,0 В/мкс. Ограниченность (/обусловлена наличием емкостей внутри ИМС и вне ее.

Если на входе и выходе ОУ действуют синусоидальные сигналы с частотой /и амплитудой (7_выхтах, то.

Максимальная скорость будет иметь место при cos 2nft = 1 на некоторой максимально возможной частоте f_max, при которой (/_тах =.

⁼ ^-Ц/тзх^вых max;

Так как (/_тах нс может превышать скорость (/, соответствующую данной ИМС, то максимальная частота сигнала при неискаженном усилении

Если частота входного сигнала превысит это значение, то (/_вых не будет успевать следовать за (/_вх и форма выходного сигнала будет искажена. Чем больше (/_{вых тах}* тем меньше максимальная частота /п_ах. Физически это объясняется тем, что с увеличением амплитуды увеличивается скорость нарастания выходного напряжения, и для ее уменьшения следует уменьшить частоту входного сигнала.

Частота, на которой имеет место неискаженное усиление при наибольшей для данного ОУ амплитуде (/Bb, xmax, называется полосой пропускания максимальной мощности.

Пример 3.3. Определить наибольшую частоту синусоидального входного напряжения, а также полосу пропускания максимальной мощности при (/_ВЫх max⁼ П В, которую допускает значение U выбранной ИМС ОУ ((/=2,5 В/мкс), если на выходе надо иметь неискаженные напряжения: а) (/_{ВЬ1Х тах} = 2 В, б) (7_{ВЫХ тах} = 8 В.

В соответствии с формулой (3.34), переводя U в основные единицы (В/с), получим:

Полоса пропускания максимальной мощности.

Высокие значения рассмотренных параметров ИМС ОУ позволяют в некоторых случаях считать ее идеальной и при схемотехническом синтезе и анализе делать следующие допущения: К_у = оо₅

^вх ⁼ °°>^{вых =} 0, /_вх ⁼ 0, 1/_сы = 0 И Т.Д.

Разность значений сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов и разброс номиналов их нагрузочных резисторов приводят к появлению постоянного выходного напряжения в отсутствие сигнала на входе. Для компенсации этого напряжения между входами ОУ прикладывают напряжение смещения. Этот процесс называют балансировкой ОУ. Появлению напряжения (сдвигу нуля) на выходе при отсутствии сигнала на входе способствует наличие базового тока входных биполярных или тока утечки входных полевых транзисторов. Этот ток, протекая через выходное сопротивление источника сигнала, создает падение напряжения, сдвигающее нуль. Реально значения входного тока отличаются на 10… 20%. По известной разности этих значений можно подобрать сопротивление балансировочного резистора.

Напряжение смещения и выходной ток зависят от температуры. Температурный дрейф оценивают изменением напряжения или тока, вызванным изменением температуры окружающей среды на 1 °C.

Предельный выходной ток ОУ определяет минимальное сопротивление нагрузки при номинальном выходном напряжении. Чтобы избежать выхода ОУ из строя при превышении предельного тока, современные ОУ оснащают узлами защиты. Обычно предельный выходной ток не превышает 25 мА. Выходное сопротивление ОУ в зависимости от его схемы и назначения находится в пределах от 20 до 2000 Ом, а при наличии узла защиты это значение не оговаривают.