Типы операционных усилителей

Дифференциальное входное  сопротивление измеряется между  инвертирующим и неинвертирующим входом, а синфазное – между закороченными входами и землей. Эквивалентные схемы входных цепей ОУ представлены на рис. 7.2. На рисунке синфазное входное сопротивление показано в виде двух резисторов, сопротивление которых в два раза больше R_син

Операционный усилитель  является усилителем постоянного тока, поэтому, для него характерны ограничения  свойственные всем УПТ. В частности, как и для любых УПТ, ему свойственны параметры, приводящие к появлению на выходе напряжения даже при нулевом дифференциальном напряжении на входе. Как показано в предыдущем разделе, к таким параметрам относятся:

– приведенное ко входу напряжение смещения (нуля);

– входные токи (смещения);

– разность входных токов (смещения),

а также изменение этих параметров (дрейф) от воздействия различных дестабилизирующих факторов. В справочниках наиболее часто приводят дрейф параметров при изменении температуры.

Разброс значений этих параметров, прежде всего, определяется типом используемых в ОУ транзисторов. Типичные значения входного напряжения сдвига для ОУ общего назначения – 1 … 10 мВ при построении на биполярных транзисторах и больше 10 мВ – на полевых. Обусловлено это большей сложностью обеспечить идентичность параметров полевых транзисторов. Для прецизионных ОУ, в которых используются специальные технологические меры для балансировки каскадов (например, лазерная подгонка резисторов) или специальные схемотехнические меры (динамическая компенсация входных погрешностей), эта величина может быть на порядок меньше. Типичные величины дрейфа нуля при изменении температуры – 1 … 10 мкВ/°С, а для прецизионных ОУ – в десятки раз меньше.

Входные токи ОУ – это токи баз или затворов транзисторов входного каскада. Соответственно, в ОУ на полевых транзисторах входные токи будут меньшим. Типичная величина входного тока составляет величину порядка 0,1 … 1 нА (для схем ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах) и 1 пА (для схем ОУ с полевыми транзисторами на входе). У ОУ с полевыми транзисторами разность входных токов практически не отличается от величины самих входных токов. Это обусловлено тем, что в связи с незначительностью токов затворов полевых транзисторов, как сами входные токи, так и их разность соизмеримы с токами утечек, которые зависят от качества монтажа и состояния поверхности корпуса транзистора.

Все вышеперечисленные параметры  входят в эквивалентную схему, характеризующую  вход ОУ. Она приведена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Эквивалентная схема замещения входной цепи ОУ

Широкое и разноплановое  использование операционных усилителей обусловило большое разнообразие его  характеристик и параметров. Приведем некоторые из них.

Для питания ОУ необходимо использовать двуполярные источники питания. Типовое значение напряжения этих источников – ±15 В, однако большинство современных ОУ могут работать в широком диапазоне напряжений питания ±6 … 18 В. Существуют также ОУ, работающие как при очень низких напряжениях – до ±1,2 В, так и при весьма больших – до ±48 В. Некоторые ОУ (обычно специализированные) используют однополярный источник питания.

При отсутствии двуполярного источника питания или при нецелесообразности его использования (например, в переносной аппаратуре) можно с помощью дополнительных схем обеспечить работу ОУ одного источника питания. На рисунке 4 приведены упрощенные варианты подачи питающих напряжений на ОУ при использовании двух и одного источника питания.

Рисунок 4 – Подача питающих напряжений на ОУ

Наиболее распространенным является питание от двух симметричных источников с номинальным (типовым) напряжением. Однако на каждом из источников может быть установлено напряжение в пределах, допустимых для используемого  типа ОУ. При питании от одного источника величина его напряжения должна лежать в диапазоне:

U_+мин +  U_–мин £ Е_п £ U_+мак + U_–мак,                              (2)

где U_+мин, U_–мин, U_+мак, U_–мак – минимальные и максимальные значения питания по положительному и отрицательному источнику, указанные в технических условиях на используемый ОУ.

Амплитудная характеристика ОУ при симметричном питании приведена на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Амплитудная характеристика

Кривая А соответствует подаче напряжения на инвертирующий вход при заземленном прямом, В – на неинвертирующий. Реальные кривые зачатую несимметричны. Напряжение насыщения обычно на 1 … 2 В меньше, чем напряжение источника питания.

Выходное сопротивление ОУ представляет собой собственно внутреннее сопротивление ОУ без обратной связи. Величина выходного сопротивления определяет максимальный выходной ток ОУ, поэтому эти две величины взаимосвязаны и часто в параметрах ОУ приводится только один из них (чаще приводится максимально допустимый выходной ток). Типичное значение выходного сопротивления – 10…1000 Ом, а выходного тока – 10 ... 20 мА. Иногда в параметрах ОУ приводится значение минимального сопротивления нагрузки, по которому можно также определить выходной ток, зная максимально допустимое напряжение на выходе:

.                                                 (3)

Превышение выходного  тока (или, что тоже самое, чрезмерное уменьшение сопротивления нагрузки) может вывести некоторые ОУ из строя. Однако подавляющее большинство современных ОУ имеет внутреннюю защиту оконечного каскада от перегрузок по току. Такие ОУ выдерживают короткие замыкания выхода ОУ не только на землю, но и на источники питания ОУ.

В технических условиях обычно указываются предельные значения входного дифференциального и синфазного напряжения, превышение которых может  вызвать необратимые изменения  во входных цепях усилителя.

Несколько параметров определяют «скоростные» свойства ОУ.

Скорость нарастания выходного  напряжения ОУ показывает, как быстро может изменяться выходной сигнал. Этот параметр тесно связан с АЧХ ОУ – для более высокочастотных усилителей скорость нарастания увеличивается. Типичное значение этой величины равно 1 … 100 В/мкс.

Время установления выходного напряжения –время, в течение которого выходное напряжение изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения.

Время восстановления – время с момента снятия входного напряжения до момента, начиная с которого выходное напряжение не будет превышать уровня 0,1 от установившегося значения после пребывания ОУ в режиме насыщения.

 

 

Заключение

В настоящее время в  электронике широкое распространение  получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании  микропроцессоров, проникли во множество  областей радиоэлектроники и привели  к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается  развитие аналоговой электроники, поскольку  по мере развития систем цифровой обработки  повышаются требования к качеству входных  и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом  устройств аналоговой обработки  сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной  информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и  умением проектировать устройства на основе ОУ).

Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят  широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

Параметры реальных ОУ несколько  хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного  усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы  и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве.

В настоящее время в  мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы. 
С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

Математический анализ конкретного параметра операционной схемы (например, шумов или входного сопротивления) можно существенно упростить, если с самого начала пренебречь тем, что не имеет в данном случае значения, т. е. идеализировать некоторые несущественные параметры операционного усилителя. В этом смысле идеализированным операционным усилителем является такой ОУ, у которого некоторые параметры име¬ют идеальные значения (равны нулю или бесконечности).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 
1. АЛЕКСЕЕВ А.Г., ВОЙШВИЛЛО Г.В.  Операционные усилители и их  применение. - Москва, Радио и связь, 2000 г. 
2. ГОЛОВИН О.В., КУБИЦКИЙ А.А. Электронные усилители. Москва, Радио и связь, 2000 г.  
3. ОСТАПЕНКО Г. С. Усилительные устройства. - Москва, Радио и связь, 2003 г. 
4. Проектирование усилительных устройств. Под редакцией ТЕРПУГОВА Н.В. - Москва, Высшая школа, 1999 г. 
5. ЦЫКИНА А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. - Москва, Связь, 2003 г. 
6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под редакцией ПЕРЕЛЬМАНА Б.Л. - Москва, Радио и связь, 2000 г. 
7. ТЕРЕЩУК Р.М., ТЕРЕЩУК К.М. и др. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - Киев, Наукова думка, 2003 г.