Операционные усилители

Операционные усилители

 

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, 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 UD. Выходное напряжение UА определяется по следующей формуле:

UA= AD·UD

где AD — 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.

 

Базовая схема операционного усилителя Виды операционных усилителей

 

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» ). Отрицательная и положительная обратная связьЭто соединение может быть реализовано при помощи канала обратной связи. Причина изменения выход­ного напряжения UА всегда заключается в изменении дифференциального входного напряжения UD следовательно, отрицатель­ная обратная связь всегда действует таким образом, что напряжение UD 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 UA усиливается положительной обратной связью, т.е. напряжение UD при изменении напряжения UA возрастает и, следовательно, отлично от нуля. Таким образом, выходное напряжение UA может принимать только два стационарных значения, т.е. максимальное или минимальное значение.

Отрицательная обратная связьС 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 АD:

UA = AD·UD = AD(UE-k·UA)

и общий коэффициент усиления

A=UA /UE = AD /(1+k·AD )≈1/k

Таким образом, становится ясно, что, несмо­тря на очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD, 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

 

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

  • Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: rGL_P = UP/IP; rGL_N = UN/IN. В общем случае значение rGL можно проигнорировать.
  • Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: rD = (UP -UN)/IP. rD увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
  • Дифференциальное выходное сопротив­ление rA = dUA/dIA. rA — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
  • Напряжение смещения Uos — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. UD = 0) выходное напряжение UA не равно нулю.
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения UA при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний UP и UN (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда UD остается постоянным.
  • Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения UA при изменении напряжений питания.

 

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

  • Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: UD = 0.
  • Входные токи IN и IР приближаются к нулю.
  • Если IN и IР близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
  • Напряжение смещения Uos приближается к нулю.
  • Выходное сопротивление RA приближа­ется к нулю.
  • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений UP и UN, UА оста­ется неизменным.
  • Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, UА остается неизменным.
  • Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

 

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

  • Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи АD лежит в диапазоне от 104 до 107.
  • Входные токи IN и IР 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 RA 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«. Инвертирующий усилительНазвание может быть приписано отрицательному ко­эффициенту усиления, т.е. в случае перио­дического входного напряжения выходное напряжение UA 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 АD дифференциальное напряжение UD 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 UD 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 IN = 0. Имеют место следующие соотношения:

IR1=U1/R1, IR2=-U2/R2

где IR1=IR2 , отсюда следует:

UA=(-R2/R1)·U1

Таким образом, выходное напряжение UА 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» ). Неинвертирующий усилительЗа счет отрицательной обратной связи, UD = 0. Поскольку IR1 = IR2, в соответствии с делителем напряжения, состоящим из сопротивлений R1 и R2 имеет место следующее соотношение:

UA= (R1/(R1+ R2))·UA

Отсюда следует, что :

U1= ((R1+ R2)/R)·U=(1+R2/R)·U1

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

Преобразователь импеданса или развязывающий усилительОсобым 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., UА = U1 ).

Преимущество этой схемы заключается в том, что источник входного напряжения U1 не нагружен внутренним сопротивлением RЕ, по­скольку входной ток IР приблизительно равен нулю. Это приводит к пренебрежимо малому падению напряжения на RЕ, а поскольку UD = 0, входное напряжение U1 передается на выход операционного усилителя как UА. 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 усилительВычитающий операционный усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ) можно рассматривать как вариант двух описанных выше схем. Соотношение между выходным напряжением UА и вход­ными напряжениями U1 и U2 можно вывести в соответствии с принципом суперпозиции.

UА=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. Схема подсистемы предварительного усиления измерительного усилителяЭто 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 UА.

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 IN1 и IN2 могут быть проигнори­рованы. Имеет место следующее:

I=(U1-U2)/R’ =(UA1-UA2)/(2R+R’),

таким образом

UA1-UA2 = (U1-U2)·(2R/R’+1)

Таким образом, усиленная разность двух напряжений U1 и U2 получается, как раз­ность напряжений UD на двух выходах двух операционных усилителей. Для вывода этого напряжения UD, как выходного напряжения относительно массы UА может быть последо­вательно подключен вычитающий усилитель (см. рис. «Вычитающий усилитель» ), где UA1 подается вместо U1 и UА2 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 UA не равно нулю. Напряжение смещенияНапряжение Uos называется напряжением смещения. Это напряжение действует подобно напряжению внешнего ис­точника UD и складывается с ним. Напряже­ние смещения U0s может быть определено как напряжение на входе, необходимое для того, чтобы выходное напряжение UA было равно нулю (см. рис. «Напряжение смещения» ). Необходимость напряже­ния смещения Uos 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 U0s, 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 IН и IР 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 UD 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 UA за опре­деленный период времени, т.е. максимальное значение dUA/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 UR’ ука­зывается в нВ/Гц.

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

UR =URВ 

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

U’R,tot = (UR1)2+(URm)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.

В следующей статье я расскажу о монолитной интегральной схеме.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *