Название «операционный усилитель» (ОРА), происходящее из области аналоговой вычис­лительной техники, обозначает (почти) иде­альный усилитель. Благодаря своим свой­ствам операционные усилители в основном применялись в аналоговых компьютерах для решения нелинейных дифференциальных уравнений в качестве сумматоров, интегра­торов и дифференциаторов. В дальнейшем быстрое развитие цифровой электроники привело к тому, что аналоговые компьютеры были полностью вытеснены с рынка. Вот о том, какими бывают операционные усилители в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Интеграция различных электронных компо­нентов в едином корпусе позволяет произво­дителям предложить на рынке такие операци­онные усилители по очень привлекательной цене. Для достижения требуемых характери­стик операционные усилители в интегральной форме, в зависимости от требований, содер­жат от 10 до 259 транзисторов, количество которых, однако, играет второстепенную роль в отношении степени интеграции.

В этом разделе приведено описание пове­дения и использования идеального операци­онного усилителя, начиная с «нормального» операционного усилителя с входами напря­жения и выходом напряжения (операцион­ный усилитель VV-типа). Затем будут более детально исследованы свойства реального операционного усилителя.

 

Принципы работы операционного усилителя

 

Идеальный стандартный операционный уси­литель представляет собой усилитель, двумя входами и (обычно) одним выходом (рис. «Базовая схема операционного усилителя» ). Усилитель имеет инвертирующий и неинвер­тирующий входы. Усилитель осуществляет усиление дифференциального напряжения U_D. Выходное напряжение U_А определяется по следующей формуле:

U_A= A_D·U_D

где A_D — коэффициент усиления при разомкну­той цепи обратной связи. Операционный усили­тель подключается к источникам положитель­ного и отрицательного напряжений питания относительно общего вывода. В случае одно­полярного питания общий вывод соединяется с отрицательным выводом источника питания. Напряжения питания обычно на схемах не по­казываются, однако, разумеется, они необхо­димы для нормальной работы усилителя.

 

 

Существуют следующие варианты опера­ционных усилителей (см. рис. «Виды операционных усилителей» ):

• «Нормальный» операционный усилитель (операционный усилитель VV-типа) с вхо­дами напряжения и выходом напряжения;
• Усилитель тока, управляемый напряже­нием (операционный усилитель VC-типа) с входом напряжения и токовым выходом;
• Усилитель напряжения, управляемый то­ком (операционный усилитель CV-типа) с токовым входом и выходом напряжения;
• Усилитель тока (операционный усилитель СС-типа) с токовым входом и токовым вы­ходом.

 

Как правило, используются операционные усилители VV-типа; детальные пояснения приведены ниже. Поскольку функции опе­рационного усилителя определяются схемой его включения, прежде всего, детально рас­смотрим возможные схемы. Здесь важным является различие между положительной и отрицательной обратной связью. При выводе соотношений предполагается, что мы имеем дело с идеальным операционным усилителем.

 

Компоновка схемы: отрицательная и поло­жительная обратная связь

 

Отрицательная обратная связь вызывает противодействие изменению выходной пере­менной. В операционном усилителе с этой це­лью выход усилителя соединяется с инверти­рующим входом (см. рис. «Отрицательная и положительная обратная связь» ). Это соединение может быть реализовано при помощи канала обратной связи. Причина изменения выход­ного напряжения U_А всегда заключается в изменении дифференциального входного напряжения U_D следовательно, отрицатель­ная обратная связь всегда действует таким образом, что напряжение U_D уменьшается и в идеальном случае становится равным нулю.

В отличие от отрицательной обратной связи положительная обратная связь спо­собствует изменению выходного напряже­ния. Таким образом, выходное напряжение U_A усиливается положительной обратной связью, т.е. напряжение U_D при изменении напряжения U_A возрастает и, следовательно, отлично от нуля. Таким образом, выходное напряжение U_A может принимать только два стационарных значения, т.е. максимальное или минимальное значение.

С точки зрения техники автоматического регулирования система регулирования с от­рицательной обратной связью состоит из операционного усилителя и контура обратной связи, как показано на рис. «Отрицательная обратная связь» . С учетом боль­шого значения коэффициента усиления А_D:

U_A = A_D·U_D = A_D(U_E-k·U_A)

и общий коэффициент усиления

A=U_A /U_E = A_D /(1+k·A_D )≈1/k

Таким образом, становится ясно, что, несмо­тря на очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D, при помощи отрицательной обратной связи мо­жет быть получен конечный коэффициент усиления А. Это более детально поясняется на приведенных ниже примерах.

 

Идеальный и реальный операционные усилители

 

Сначала суммируем характеристики идеаль­ного операционного усилителя, показанного на рис. «Идеальный операционный усилитель«:

• Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: r_GL__P = U_P/I_P; r_{GL_N} = U_N/I_N. В общем случае значение r_GL можно проигнорировать.
• Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: r_D = (U_P -U_N)/I_P. r_D увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
• Дифференциальное выходное сопротив­ление r_A = dU_A/dI_A. r_A — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
• Напряжение смещения U_os — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. U_D = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения U_A при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний U_P и U_N (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда U_D остается постоянным.
• Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения U_A при изменении напряжений питания.

 

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: U_D = 0.
• Входные токи I_N и I_Р приближаются к нулю.
• Если I_N и I_Р близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
• Напряжение смещения U_os приближается к нулю.
• Выходное сопротивление R_A приближа­ется к нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений U_P и U_N, U_А оста­ется неизменным.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, U_А остается неизменным.
• Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

 

На практике, разумеется, значения вышеука­занных параметров отличны от идеальных:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D лежит в диапазоне от 10⁴ до 10⁷.
• Входные токи I_N и I_Р лежат в диапазоне от 10 пА до 2 мкА.
• Синфазное входное сопротивление лежит в диапазоне от 10⁶ до 10¹² Ом, а дифферен­циальное входное сопротивление дости­гает 10¹² Ом.
• Выходное сопротивление R_A лежит в диа­пазоне от 2 до 50 Ом.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) лежит в диапазоне от 60 до 140 дБ.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) лежит в диапазоне от 60 до 100 дБ.
• Поведение усилителя зависит от частоты (пропускание низких частот).

 

Основные схемы включения операционных усилителей

 

Характеристики операционного усилителя определяются схемой подключения внешних элементов. Здесь основную роль играет от­рицательная обратная связь, поскольку она позволяет точно задать коэффициент уси­ления за счет выбора значений внешних со­противлений. Работа различных схем будет пояснена на следующих примерах.

 

Инвертирующий операционный усилитель

 

Основная схема инвертирующего операцион­ного усилителя показана на рис. «Инвертирующий усилитель«. Название может быть приписано отрицательному ко­эффициенту усиления, т.е. в случае перио­дического входного напряжения выходное напряжение U_A всегда находится в противо­фазе к входному напряжению U₁ При этом важно то, что за счет отрицательной обратной связи и высокого коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D дифференциальное напряжение U_D на входе постоянно равно нулю, поскольку инвертиру­ющий и неинвертирующий входы находятся под одним и тем же потенциалом. Поскольку за счет отрицательной обратной связи диф­ференциальное напряжение U_D регулируется до нуля, это имеет название «виртуального короткого замыкания». Также используется термин «виртуальная масса», поскольку ин­вертирующий вход активно находится под нулевым потенциалом (т.е. потенциалом кор­пуса). Кроме того, значения входных токов игнорируются, в частности, устанавливается I_N = 0. Имеют место следующие соотношения:

I_R1=U₁/R₁, I_R2=-U₂/R₂

где I_R1=I_R2 , отсюда следует:

U_A=(-R₂/R₁)·U₁

Таким образом, выходное напряжение U_А прямо зависит от входного напряжения U₁ и выбора сопротивлений R₂ и R₁.

 

Неинвертирующий операционный усилитель

 

Неинвертирующий усилитель можно рас­смотреть аналогично инвертирующему уси­лителю (см. рис. «Неинвертирующий усилитель» ). За счет отрицательной обратной связи, U_D = 0. Поскольку I_R1 = I_R2, в соответствии с делителем напряжения, состоящим из сопротивлений R₁ и R₂ имеет место следующее соотношение:

U_A= (R₁/(R₁+ R₂))·U_A

Отсюда следует, что :

U₁= ((R₁+ R₂)/R₁ )·U₁ =(1+R₂/R₁ )·U₁

Здесь выходное напряжение U_A также прямо зависит от входного напряжения U₁, и значе­ний сопротивлений R₂ и R₁ однако здесь ко­эффициент усиления U_A/U₁ имеет значение не менее единицы; U_А и U₁ синфазны.

Особым случаем неинвертирующего уси­лителя является развязывающий усилитель или преобразователь импеданса. Если R₁ принимает значение, равное бесконечности (разомкнутый контур), R₂ равно нулю (корот­кое замыкание) (см. рис. «Преобразователь импеданса или развязывающий усилитель» ), коэффициент усиления равен единице (т.е., U_А = U₁ ).

Преимущество этой схемы заключается в том, что источник входного напряжения U₁ не нагружен внутренним сопротивлением R_Е, по­скольку входной ток I_Р приблизительно равен нулю. Это приводит к пренебрежимо малому падению напряжения на R_Е, а поскольку U_D = 0, входное напряжение U₁ передается на выход операционного усилителя как U_А. Это является важным свойством этой схемы, в особенности для усиления сигналов датчиков, поскольку во многих случаях допустимый ток нагрузки датчика очень мал, т.е. любое увели­чение нагрузки датчика вызывает значительное снижение величины его полезного сигнала.

 

Вычитающий операционный усилитель

 

Вычитающий операционный усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) можно рассматривать как вариант двух описанных выше схем. Соотношение между выходным напряжением U_А и вход­ными напряжениями U₁ и U₂ можно вывести в соответствии с принципом суперпозиции.

U_А=R₁/R₂(U₂-U₁)

 

Измерительный усилитель

 

В измерительных системах с датчиками и из­мерительными мостами часто требуется уси­ление дифференциального напряжения без неприемлемо высокой нагрузки датчика или моста. Это может быть реализовано при по­мощи высокоимпедансного переключателя напряжения. Для этой цели может быть ис­пользован измерительный усилитель, на вы­ходе которого имеет место усиленная разность двух потенциалов U₂ и U₁ в виде выходного напряжения U_А.

Измерительный усилитель можно разделить на две части: предваритель­ный усилитель и вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) с дальнейшим усилением. На рис. «Схема подсистемы предварительного усиления измерительного усилителя» представлена схема контура предварительного усиления измерительного усилителя.

В соответствии с правилом отрицательной обратной связи разность напряжений на ин­вертирующем и неинвертирующем входах равна нулю. В каждом случае ток I может протекать через резисторы R и R’, поскольку входные токи I_N1 и I_N2 могут быть проигнори­рованы. Имеет место следующее:

I=(U₁-U₂)/R’ =(U_A1-U_A2)/(2R+R’),

таким образом

U_A1-U_A2 = (U₁-U₂)·(2R/R’+1)

Таким образом, усиленная разность двух напряжений U₁ и U₂ получается, как раз­ность напряжений U_D на двух выходах двух операционных усилителей. Для вывода этого напряжения U_D, как выходного напряжения относительно массы U_А может быть последо­вательно подключен вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ), где U_A1 подается вместо U₁ и U_А2 подается вместо U₂.

 

Важные характеристики операционных усилителей

 

В ряде случаев к операционному усилителю предъявляются отчасти противоречащие друг другу требования. Имеется ряд операционных усилителей, специально оптимизированных для того или иного применения. Как правило, для них указываются данные конкретных рабочих режи­мов или рабочие диапазоны.

 

Диапазон температур

 

В области бытовой электроники диапазон ра­бочих температур, как правило, составляет от 0 до 70 °С. Для промышленного применения обычно указывается диапазон от -20 до +70 °С, прежде всего для устройств, эксплуатируемых на открытом воздухе. Для военных применений указывается диапазон рабочих температур от -55 до +125 °С. Однако, даже столь широкий диапазон может оказаться недостаточным для применения этих электронных устройств на ав­томобилях, например, в моторном отсеке или в тормозной системе могут иметь место еще более высокие температуры.

 

Напряжение смещения

 

Напряжение смещения — количественная ха­рактеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. для U₀ = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю. Напряжение U_os называется напряжением смещения. Это напряжение действует подобно напряжению внешнего ис­точника U_D и складывается с ним. Напряже­ние смещения U_0s может быть определено как напряжение на входе, необходимое для того, чтобы выходное напряжение U_A было равно нулю (см. рис. «Напряжение смещения» ). Необходимость напряже­ния смещения U_os вытекает, среди прочего, из асимметрии внутренних входных цепей опе­рационного усилителя. Величина напряжения смещения составляет от нескольких мкВ до нескольких мВ.

Однако, так же как напряжение смещения U_0s, большое значение имеют температур­ный эффект и долгосрочная стабильность. Некоторые операционные усилители предла­гают возможность компенсации напряжения смещения при помощи внешних цепей (при условии, что эта компенсация не реализована внутренними мерами). В этой связи важно от­метить, что вследствие температурного эф­фекта может иметь место дрейф входного напряжения; так, паяные соединения могут действовать как термопары с выходным на­пряжением от 10 до 100 мВ/К.

 

Входные сопротивления и токи

 

За счет, как правило, очень малых входных токов I_Н и I_Р могут быть получены очень боль­шие входные сопротивления, которые могут достигать нескольких МОм. Здесь следует различать синфазное входное сопротивле­ние (сопротивление между каждым входом и массой) и дифференциальное входное со­противление между двумя входами.

Входы обычного операционного уси­лителя представляют собой транзисторы. Это могут быть биполярные транзисторы, в которых активируется база, или полевые MOS-транзисторы, в которых напряжение подается на затвор. Этим объясняются ма­лые значения входных токов. Если исполь­зуются биполярные транзисторы, это токи базы, лежащие в диапазоне нескольких мкА. Если в качестве входных устройств использу­ются полевые MOS-транзисторы — это соот­ветствующие токи затворов, требуемые для перезарядки емкостей затворов. Эти токи пропорциональны рабочей частоте и обычно составляют несколько пА.

Входной ток смещения может вызвать погрешность входного напряжения в це­пях высокого сопротивления. Эту погреш­ность можно скомпенсировать, подключив к двум входам два идентичных импеданса, поскольку в каждом случае имеет место одинаковое падение напряжения, и диффе­ренциальное напряжение U_D остается неиз­менным. Так же как в отношении напряжения смещения, могут иметь место температурный дрейф и дрейф во времени входного тока.

 

Выходное сопротивление

 

Выход операционного усилителя можно представить, как последовательно соединен­ные идеальный источник напряжения и со­противление. При этом сопротивление пред­ставляет собой выходное сопротивление Яд- Это сопротивление ограничивает величину выходного тока. В общем случае выходной ток операционного усилителя может до­стигать 20 мА. Существует несколько типов операционных усилителей с выходным током до 10 А.

 

Скорость нарастания выходного напряжения

 

Скорость нарастания выходного напряжения (SR) означает максимальное возможное из­менение выходного напряжения U_A за опре­деленный период времени, т.е. максимальное значение dU_A/dt. Значения скорости нарас­тания выходного напряжения для обычных операционных усилителей лежат в диапазоне от 1 В/мкс до свыше 1 В/нс.

 

Уровень шума операционного усилителя

 

Уровень шума операционного усилителя можно охарактеризовать плотностью на­пряжения шума или плотностью тока шума. Обычно плотность напряжения шума U_R’ ука­зывается в нВ/Гц.

Действующее значение напряжения шума U_R (это также относится к току шума) полу­чается путем умножения соответствующего значения плотности напряжения шума на ква­дратный корень из полосы частот В:

U_R =U_R’√В 

Для цепи усилителя общее действующее зна­чение плотности напряжения шума опреде­ляется как квадратный корень из суммы квадратов отдельных действующих значений.

U’_R,tot = √(U_R1)²+(U_Rm)²

Здесь m — количество элементов — источни­ков шума.

Уровень шума обычно определяется на входе операционного усилителя. Использование полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом или полевых MOS-транзисторов дает низкое значение входных токов, но в то же время относительно высокий уровень шума. Что касается операционного усили­теля на биполярных транзисторах, то здесь ситуация изменяется на противоположную.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: