Операционный усилитель

1.3.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие параметры:

- коэффициент усиления по напряжению ;

- входное сопротивление ;

- выходное сопротивление .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 1.10.

Здесь:

вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;

выход – однотактный;

+Е_п и ‑Е_п –‑ выводы двух источников питания Е_п или двуполярного источника.

Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.

Характеристики реальных ОУ немного отличаются от идеальных.

Основные параметры реальных ОУ:

а) коэффициент усиления дифференциального сигнала

;

б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;

в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах ;

г) входное сопротивление R_вх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);

д) выходное сопротивление R_вых = 20 ¸2000 Ом;

е) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – – зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на

рисунке 1.11,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, (т.е. на минус 20 дБ).

Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);

ж) фазочастотная характе-ристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты (см. рисунок1.11,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус . ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.

Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;

и) ‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 1.12.

Обычно .

л) если при U_вх = 0 также и U_вых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется при U_вх = 0 (см. рисунок 1.13);

 

 

м) U _{вх смещ нуля} или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Оно примерно равно 1...3 мВ;

н) разность входных токов ‑ 5…50 нА;

п) диапазон допустимых синфазных напряжений – это максимальное одинаковое напряжение на обоих входах, чтобы ОУ не вошел в насыщение или отсечку – 3…13 В;

1.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель

Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 1.14. Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT₁ ¸ VT₄. Основные транзисторы VT₁ и VT₂ – p-n-p-типа.

Динамическая нагрузка (транзисторы VT₃ и VT₄ ‑ n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ₁ в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения. Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.

Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT₅ и VT₆ по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ₂. Емкость С_К »30 пФ ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD₁ и VD₂ для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.

В выходной каскад входят: комплементарная пара транзисторов VT₇ (n-p-n-типа) и VT₈ (p-n-p-типа), диоды VD₁ и VD₂, генератор стабильного тока ГСТ₂, транзистор VT_6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ₂, VD₁, VD₂ и VT_6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT₇ и VT₈. Причем. . Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD₁ и VD₂. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.

При отсутствии сигнала на входе ОУ U_ВХ = 0 ток через нагрузку I_Н = 0. Через транзисторы VT₇ и VT₈ течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс U_VD1 на транзисторе VT₇ и минус U_VD2 – на транзисторе VT₈. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT₆ за счет источников напряжения питания + Е_п1 и ‑ Е_п2 на аноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT₇ и VT₈ открыты поочередно. При подаче с коллектора VT₆ положительного перепада напряжения транзистор VT₈ запирается, а VT₇ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п1, кэ_VT7, R_н, ‑ Е_п1. При подаче с коллектора VT₆ отрицательного перепада напряжения транзистор VT₇ запирается, а VT₈ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п2, R_н, кэ_VT8, ‑ Е_п2.

1.3.3 Внешние цепи

В операционных усилителях используются внешние цепи:

а) цепи коррекции частотной характеристики – частотно-зависимые RC-цепи;

б) цепи балансировки для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом входном;

в) цепи защиты:

1) от пробоя на входе при высоком входном напряжении;

2) от короткого замыкания на выходе включается последовательно резистор примерно 400 омов;

3) от переполюсовки источника питания при неправильной полярности включения;

4) от перенапряжения источника питания;

г) цепи обратной связи.

 

Обычно в ОУ используется отрицательная обратная связь, т.к. без нее даже при коэффициент усиления стремится к бесконечности и может достичь предельного значения.

Отрицательная обратная связь позволяет:

­ создать схему с заданными функциями;

­ достичь нужного коэффициента усиления;

­ повысить стабильность и устойчивость схемы;

­ добиться необходимых и ;

­ уменьшить линейные и нелинейные искажения.

Рассмотрим усилители сигналов и решающие усилители.

1.3.4 Инвертирующий усилитель

В схеме (см. рисунок 1.15) примем допущения: ; .(1.1)

Так как и , то . Следовательно точку А можно считать закороченной на землю.

По первому закону Кирхгофа , а так как , то и, следовательно, .

Определим коэффициент усиления инвертирующего усилителя

. (1.2)

Из (1.2) видно, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя не зависит от параметров ОУ, а определяется только элементами обратной связи. Здесь имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.

Если , то усилитель (см. рисунок 1.15) является инвертором.

Для симметрирования (уравнивания) входных токов ставится резистор R, который определяется как параллельно соединенные R_ос и R₁

.

1.3.5 Неинвертирующий усилитель

На рисунке 1.16,а представлена схема неинвертирующего усилителя. Цепь R_ос–R₁ создает последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Допустим, что выполняются условия (1.1). Тогда и . Из рисунка 1.16,а находим

U_вх = I₁R₁, U_вых = I₁ (R₁+R_ос), следовательно, коэф-фициент усиления неинвертирующего усилителя равен .

Если и (см. рисунок1.16,б), то это повторитель напряжения. Имеет место 100% последовательная ООС по напряжению.

Сигнал на выходе повторяет входной сигнал.

1.3.6 Решающие усилители