Типы операционных усилителей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение 2

1 Общие сведения 3

2 Типы ОУ 5

3 Основные характеристики и параметры ОУ 7

Заключение 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Операционный усилитель  – универсальный функциональный  элемент,   широко используемый   в   современных   схемах   формирования   и   преобразования информационных сигналов различного назначения, как в аналоговой,  так и в цифровой технике.

Наименование «операционный  усилитель»  обусловлено  тем,  что,  прежде всего  такие  усилители  получили   применение   для  выполнения   операций суммирования сигналов, их дифференцирования, интегрирования,  инвертирования и т. д. Операционные  усилители были  разработаны  как  усовершенствованные балансные  схемы усиления.

Усложнение  схем  операционных  усилителей  (современные   операционные усилители включают десятки, а иногда и сотни элементарных ячеек:  регистров, диодов, транзисторов, конденсаторов), использование  генераторов  стабильных токов и ряд других усовершенствований существенно расширили сферу  возможных применений операционных усилителей.

Операционный усилитель (ОУ) предназначен  для  выполнения  математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый  ОУ  K2W  был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Первые ОУ на транзисторах появились в продаже в 1959 году.  Р.Малтер (США)  разработал  ОУ  Р2,  включавший  семь германиевых транзисторов  и варикапный  мостик.  Требования  к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости   и   размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были  разработаны в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый  интегральный  ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963  году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Эти усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями  напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой  на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей  усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью.  Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем  на  их  основе  оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем  ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общие  сведения

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель, который характеризуется определенным набором параметров, позволяющих ему выполнять математические операции (сложения, вычитания, интегрирования и т.д. и т.п.). Это свойство и определило наименование «операционный усилитель». Первоначально усилители такого класса предназначались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Основными параметрами, обеспечивающими его «математические способности», являются:

– большой коэффициент усиления по напряжению (в идеале К Þ ¥);

– большое входное сопротивление (в идеале R_вх Þ ¥);

– нижняя частота усиливаемых сигналов f_н = 0.

Последний параметр указывает  на то, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока. Объясняется это требование тем, что одной из распространенных математических операций есть действия с константами, например, сложения переменных с константами. В этом случае математическая переменная будет реализовываться изменяющимся сигналом, константа – постоянным. В настоящее время сфера применения ОУ значительно расширилась и во многих случаях требование f_н = 0 не является обязательным и даже иногда вредным. Однако превратить УПТ в усилитель переменного тока можно достаточно просто (например, вводя разделительные емкости). Поэтому большинство массовых операционных усилителе выпускаются как усилители постоянного тока.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 1. В обозначении функции (¥ > – усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления) первый символ (¥) часто опускается.

Рисунок 1 – Условное обозначение  операционного усилителя

Операционные усилители  имеют два входа (инвертирующий  и не инвертирующий) и один выход. Таким образом, ОУ является дифференциальным усилителем. Это позволяет при «математическом» варианте использования усилителя достаточно просто осуществить операцию вычитания, при иных – улучшить многие параметры устройства, например, избавляться от синфазного сигнала, реализовывать цепи как положительной, так и отрицательной обратной связи и т.п. На схеме инвертирующий вход обозначают кружком.

Обычно операционные усилители  имеют два вывода подключения  питания минус Е и плюс Е. Выводы, служащие для коррекции нуля операционных усилителей, обозначаются символами NC (Null Correction) а те, к которым подключаются элементы частотной коррекции FC (Frequency Correction). Следует отметить, что в некоторых типах ОУ выводы коррекции могут отсутствовать. Обозначения функций выводов могут быть как отделены от основного поля , так и не иметь ограничительных линий.

Первые операционные усилители  выполнялись на электронных лампах, в настоящее время они изготовляются  в интегральном исполнении в виде микросхем (МС). Благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости, операционные усилители в настоящее время вытесняют транзисторные схемы при проектировании аналоговых устройств. Многие МС, выполняющие сложные функции по обработке аналоговых сигналов, строятся на основе схем, близких к схемам ОУ, либо включают в себя ОУ в виде собственных фрагментов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Типы  ОУ

В настоящее время промышленность выпускает сотни типов ОУ. Все они в первом приближении соответствуют идеальному ОУ – имеют очень большой коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, большое входное сопротивление и т.д. Все ОУ, в принципе, взаимозаменяемы, это значит, что в типовых схемах усилителей, генераторов, фильтров и т.д. в подавляющем большинстве случаев можно использовать любые ОУ.

Однако при проектировании специализированных электронных схем (например, высокочастотных, высокостабильных, миниатюрных и т.п.) целесообразно  использовать специализированные ОУ, в которых улучшены те или иные параметры. В связи с этим различают обычно следующие виды ОУ:

– ОУ общего назначения;

– прецизионные, высокочастотные ОУ;

– микромощные, потребляющие незначительные токи от источников питания, иногда такие ОУ называются программируемыми;

– мощные ОУ, способные формировать сравнительно большие токи и напряжения.

Еще одним критерием сравнения ОУ является количество таких усилителей в одном корпусе (обычно один, два или четыре).

ОУ общего назначения предназначены для применения в аппаратуре, где нет необходимости в выполнении каких-либо специальных условий или требований. Такие ОУ имеют низкую стоимость, широкий диапазон напряжения источников питания, нередко при их использовании не требуется никаких дополнительных элементов, кроме источников питания, входных и выходных цепей. Очень часто такие ОУ имеют защиту входных и выходных цепей и внутреннюю частотную коррекцию, обеспечивающую работу ОУ во всех режимах. Частотный диапазон таких ОУ не очень большой – единицы, десятки МГц.

Прецизионные, высокочастотные ОУ характеризуются малыми входными погрешностями: низким уровнем входного напряжения сдвига и его дрейфа и незначительной величиной входного тока сдвига. Нередко такие ОУ имеют низкий уровень шумов, сравнительно большой дифференциальный коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазной составляющей. Как правило, имеют невысокое быстродействие. К этой группе можно также отнести ОУ с предельно малыми значениями входных токов (так называемые электрометрические ОУ), входные каскады которых выполняются на полевых транзисторах. В некоторых случаях в прецизионных ОУ используются вспомогательные схемы для динамического измерения и компенсации входного напряжения сдвига. И, наконец, для получения экстремально низких значений погрешностей по напряжению и току используют ОУ, выполненные по схеме МДМ (модуляция-демодуляция).

Быстродействующие ОУ позволяют работать с быстроизменяющимися сигналами. Среди них различают широкополосные ОУ, которые применяются в высокочастотных усилителях, фильтрах, генераторах и т.п. Кроме того, известны ОУ с быстрым установлением входного напряжения, предназначенные, прежде всего, для обработки импульсных сигналов (импульсные усилители, устройства выборки-хранения, пиковые детекторы, цифроаналоговые преобразователи).

Микромощные ОУ применяются в тех случаях, когда определяющим требованием является потребление минимальной мощности от источника питания. Это в первую очередь характерно для переносной или бортовой аппаратуры, работающей от батарей или аккумуляторов. Потребляемый ток таких ОУ может составлять несколько микроампер, и нередко существует возможность изменять его величину внешними элементами.

Мощные ОУ позволяют получать на выходе сравнительно большие напряжения (до нескольких десятков вольт) и тока (до одного ампера). Это позволяет строить схемы на основе таких ОУ, которые работают на сравнительно низкоомные нагрузки (например: головные телефоны в бытовой звуковой аппаратуре, двигатели постоянного тока небольшой мощности и т.п.). Для предотвращения теплового разрушения при выделении большой мощности такие ОУ всегда имеют специальные выводы для крепления к теплопроводу.

Для нормального построения схемы на основе ОУ необходимо иметь точку (землю), напряжение которой равно половине суммарного напряжения источников питания ОУ. Получить такую точку можно с помощью простейшего резистивного делителя напряжения R1 и R2. Если выбрать сопротивления резисторов одинаковыми R1 = R2, то напряжения на резисторах (т.е. напряжения питания ОУ) будут равны U_R1 = U_R2 = E_П / 2. Тогда выводы питания ОУ подключаются к однополярному источнику питания Е_П, а общая точка в схеме на основе ОУ подключается к средней точке резисторов R1 и R2. Проблема при таком подключении заключается в том, что земля схемы на основе ОУ не совпадает (по переменному току) с землей усилителя мощности, которая обычно соответствует одному из выводов источника питания. Поэтому эти две земли необходимо соединить между собой через конденсатор С, сопротивление которого на самой низкой частоте усиления f_H должно быть достаточно малым (несколько десятков Ом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Основные  характеристики и параметры ОУ

Подавляющие большинство ОУ имеет на входе дифференциальный каскад, поэтому в ОУ различают инвертирующий и неинвертирующий входы (так же, как и в дифференциальных УПТ). Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов, его дифференциальный коэффициент усиления К_диф, как уже отмечалось выше, является весьма большим. Обычно его значение лежит в диапазоне 10000 … 100000 (80 … 100 дБ), и в новых ОУ имеет место тенденция к увеличению. Типовая амплитудно-частотная характеристика ОУ приведена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Логарифмическая  амплитудно-частотная характеристика ОУ

Так как операционный усилитель  представляет собой УПТ, поэтому его АЧХ имеет ненулевой коэффициент усиления на нулевой частоте. И указанные выше (и/или в технических условиях) коэффициенты усиления соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц. Затем, коэффициент усиления начинает уменьшаться со «скоростью» минус 20 дБ/декаду (6 дБ/октаву). Возможно увеличение скорости спада до минус 40 дБ/дек. и более. Эти точки перегиба стараются разместить на частотах выше так называемой частоты единичного усиления F₁ – частота, на которой модуль коэффициента усиления равен единице. Типичное значение F₁ равно 1 ... 10 МГц. Точки перегиба соответствуют верхним частотам отдельных каскадов усилителя и устанавливаются при проектировании ОУ.

Кроме дифференциального  входного сигнала, на ОУ может быть подан и синфазный входной сигнал, который, в результате несовершенства реальных схем, также проходит на выход. Характеристикой такого возможного проникновения является коэффициент ослабления синфазной составляющей КОСС, который показывает во сколько раз коэффициент усиления синфазного сигнала меньше коэффициента усиления дифференциального сигнала:

.                                                   (1)

Типичные значения КОСС – 60 … 80 дБ, некоторые ОУ имеют – не менее 120 дБ.

Значительные величины как  дифференциального, так и синфазного сигнала могут привести к пробою входных цепей и к выходу усилителя  из строя. Поэтому их максимальные значения регламентируются в технической  документации на ОУ. Обычно максимальные значения дифференциального входного напряжения равны значению источника питания ОУ, однако, для некоторых схем ОУ их величина не может превышать ±0,5 В.

Такие же ограничения необходимо выдерживать и для синфазного входного напряжения, но в большинстве ОУ их величина может быть большей, чем дифференциальное входное напряжение. Типичное значение максимального синфазного напряжения обычно равно напряжению питания, однако в некоторых случаях одно из них (положительное или отрицательное в зависимости от схемы входного каскада) может быть и больше.

При рассмотрении входных  сопротивлений различают дифференциальное и синфазное входные сопротивления. Дифференциальное входное сопротивление  обычно составляет величину порядка 1 … 10 МОм, а синфазное – на несколько  порядков больше. Входные сопротивления значительно увеличиваются в ОУ с полевыми транзисторами на входе.