Чтобы пользоваться операционными усилителями, необходимо знать, что это такое. В настоящей главе будут рассмотрены устройства, основные свойства и параметры операционных усилителей, а также важнейшие типы усилительных схем, в которых они используются.

Назначение главы. Окончив изучение этой главы и ответив на контрольные вопросы, студент должен уметь:

1. Перечислить основные части операционного усилителя и описать их устройство.

2. Перечислить названия выводов операционного усилителя и объяснить их назначение.

3. Перечислить названия и дать определения следующих параметров операционного усилителя: А, LJcb, /см, /сдв, Rsy., Rbuk.

4. Вычислить параметры компонентов цепи обратной связи для заданного коэффициента усиления замкнутой цепи и начертить по памяти схемы повторителя напряжения, неинвертирующего усилителя, инвертирующего усилителя и усилителя с дифференциальным входом.

5. При заданных компонентах цепи обратной связи вычислить коэффициент усиления замкнутой цепи для схем, перечисленных в п. 4.

6. Выполнить лабораторную работу к гл. 1.

1.1. ЧТО ТАКОЕ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ?

Операционный усилитель - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому идеальному усилителю . С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: 1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (Л-оо); 2) бесконечное полное входное сопротивление (2вх-оо); 3) нулевое полное выходное сопротивление

(2вых->-0); 4) равенство нулю выходного напряжения (Свых == = 0) при равных напряжениях на входах (f/i = f/g); 5) бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель). На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако

о вых

Рис. 1.1. Эквивалентная схема усилителя.

Инвертирующий

Неинверти^уищий вид

Выход

и, о

Рис. 1.2. Условные изображения усилителя. U\ ф U3, но отношение Г/дь1х/(2 ~ \) - очень велико.

К ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близрк к бесконечности.

Первый каскад .операционного усилителя - это дифференциальный усилитель.. Дифференциальный усилитель имеет высо-

кий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (т. е. U2-Ui на рис. 1.1 и 1.2) и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы)

Кроме того, дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его рходы сигналам. Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина полного входного сопротивления и в нем мини-

Инвертирующии вход

неинвертирую-щий вход

дифференциальный каскад

Промежуточные каскады VCMfleHMfl

-Выход

Рис. 1.3. Б.пбк-схема операционного усилителя.

мизируются чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига 2).

За входным каскадом, как показано на рис. 1.3, следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току. Последовательное усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление но току - для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада без того, чтобы нагрузить входной каскад. В промежуточных каскадах могут быть использованы как дифференциальные, так и однополюсные схемы.

Оконечный каскад должен обеспечивать низкое полное вьь ходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Кроме того, этот каскад должен иметь достаточно высокое полное входное сопротивление, чтобы пе нагружать последний из промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

На рис. 1.4 показана упрощенная схема операционного усилителя. Прежде всего следует сделать несколько замечаний относительно его входной цепи. Сопротивления в цепях эмитте-

Синфазными сигналами называются поданные одновременно на оба входа сигналы с одинаковыми фазой и амплитудой.

2 Напряжения сдвига -это небольшие по величине нежелательные сигналы, которые возникают внутри усилителя и приводят к появлению некоторого напряжения на его выходе при нулевых напряжениях на обоих входах. Причиной их появ.пения яв.пяется неточное согласование напряжений эмиттер - база входных транзисторов.

+i/ о-

Инвертируй -

ЩИЙ вхсд

. 1 Гг -,

Неинвертирушщий

-1г

г. г,

-I/O-

быход -о

Частотная компенсация (коррекция).

Дифференциальный входной каскад с источником неизменного тока

Промежуточные каскады

Комплементарный выходной каскад

Рис. 1.4. Упрощенная схема операционного усилителя.

ров транзисторов Т\ и Гг повышают полное входное сопротивление входного каскада. Токи коллекторов во входном каскаде обычно невелики, так что диоды эмиттер - база входных транзисторов имеют высокое сопротивление переменному току, и схема может действовать при малых входных токах. Проигрыш в коэффициенте усиления первого каскада, который при этом получается, впоследствии должен быть восполнен в промежуточных каскадах. Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам ток эмиттера первого каскада задается с помощью источника постоянного тока. Поскольку источник постоянного тока имеет высокое внутреннее сопротивление Гвых, коэффициент усиления дифференциального усилителя по отношению к синфазным сигналам Лес получается очень низким

Чтобы уменьшить входной ток, необходимый для возбуждения дифференциального усилителя, и увеличить его входное сопротивление, в качестве транзисторов первого каскада Т\ и Г2

См. приложение А,

МОЖНО использовать пары Дарлингтона или полевые транзисторы. Использование полевых транзисторов (с р-п-переходом или МОП-транзисторов) позволяет получить очень высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители на полевых транзисторах имеют более высокое входное напряжние сдвига [/сдБ, которое сильнее зависит от температуры, чем у усилителей на биполярных транзисторах, однако эти недостатки могут быть сведены к минимуму с помощью различных цепей обратной связи внутри усилителя. Существуют интегральные схемы (ИС) операционных усилителей, в которых для повышения полного входного сопротивления на входе используются полевые транзисторы, а в остальных цепях усилителя - биполярные. Использование в качестве Т\ и Гг пар Дарлингтона также приводит к повышению (/сдв и усилению зависимости его от температуры.

Если коэффициент усиления по напряжению равен 10 {А\ - 10) для первого каскада, 100 (Лг = 100) для второго и 20 (Лз == 20) для третьего каскада, то общий коэффициент усиления А является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Л = Л1Л2Л3 = 10-100-20 = 20 000,

т. е. довольно большой величиной.

В приложении Б рассмотрена широко известная интегральная схема операционного усилителя рА741 фирмы Fairchild.

1.2. ВЫВОДЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

На рис.. 1.5 показаны внешние выводы операционного усилителя:

Инвертирующий вход

+ 1/(1)

Неинвертируниций вход щ

Выход

(1) +[У, -[У. Выводы для напряжений питания.

(2) Частотная коррекция. Эти выводы (иногда их называют выводами стабилизации, задержки или сдвига фазы) используются для предотвращения генерации операционного усилителя, если последний не имеет внутренней коррекции. Более подробно это обсуждается в следующем разделе.

(3) Выход. Вывод, с которого снимается усиленное напряжение.

(2) (2)

=Частотная коррекция -

Рис. 1.5. Цоколевка операционного усилителя.

Отечественный аналог 140УД6. - Прим, ред.

1.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

1. Коэффициент усиления без обратной связи (Л). Коэффициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи. Обычно равен нескольким тысячам. Называется также полным коэффициентом усиления по напряжению.

2. Входное напряжение сдвига (Ucub)- Небольшие нежелательные напряжения, возникающие внутри усилителя, служат причиной появления на его выходе некоторого ненулевого напряжения при нулевом напряжении на обоих входах. Является следствием неточного согласования напряжений эмиттер - база входных транзисторов. Обычно [/сдв равно нескольким милливольтам

3. Входной ток смещения (/см). Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя; ток базы, который должен быть обеспечен для входного транзистора.

4. Входной ток сдвига (/сдв). Разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов операционного усилителя. Появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току (Р) входных транзисторов. Если /см1 - ток, необходимый для питания базы входного транзистора на инвертирующем входе, а /см2 -ток, необходимый для питания базы входного транзистора на неинвертирующем входе, то /сдв -/см1 - /см2 (рис. 1.6). Входной ТОК сдвигз менястся приблизительно так же, как входное напряжение, поэтому ток сдвига является переменной величиной. Обычно /сдв лежит в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен нано-ампер.

5. Входное сопротивление Rex- Сопротивление усилителя по отношению ко входному сигналу. Как правило, Rbx превышает один мегаом, но может достигать и нескольких сотен мегомов.

UcRB называют входным, так как определяют его через то напряжение, которое надо приложить ко входам, чтобы на выходе установился О В. -Прим. ред.

(4) Инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал на выходе окажется сдвинутым по фазе на 180° относительно сигнала на входе.

(5) Неинвертирующий вход. Если инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то сигнал на выходе окажется синфазным с сигналом на входе.

Следует различать дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т. е. сопротивление между объединенными обоими выводами входов и землей. В описаниях микросхем обычно не указывается, какой из этих параметров имеется в виду, и пишется просто /?вх-

6. Выходное сопротивление Rux- Внутреннее сопротивление усилителя, о котором можно судить по напряжению на его выходе. Обычно /?вых не превосходит нескольких сотен омов.

7. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений. Характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно. (Более подробно это -cmi обсуждается в гл. 3).

8. Коэффициент влияния нестаби.аь~ - нести источника питания на выходное см2 напряжение. Показывает изменение сдв =-cmi -смг

выходного напряжения при изменении , с

* / , г; г7 Рис. 1.6. Определение вход-

напряжении питания ( + [7 и -U од- ого тока сдвига,

повременно) на 1 В. Обычно дается в микровольтах на вольт.

9. Входная емкость (Свх). Емкость между входными выводами и землей.

10. Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем.

И. Потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки), рассеиваемая операционным усилителем.

12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения {V). Максимальная скорость изменения выходного напряжения, данная в вольтах на микросекунду.

13. Переходная характеристика. Сигнал на выходе опера-ционого усилителя при подаче на его вход ступеньки напряжения. Время нарастания и величина выброса выходного напряжения даются для стандартного изменения входного напряжения.

14. Предельно допустимые значения. Сюда относятся такие параметры, как максимальная рассеиваемая мощность, рабочий диапазон температур, максимальное напряжение питания, максимальная разность входных напряжений (между инвертирующим и неинвертнрующим входами), максимальное напряжение синфазных входных сигналов и интервал температур хранения. (Превышение этих максимальных значений приводит к повреждению операционного усилителя.)

Ряд изготовителей включает в спецификации своих операционных усилителей графики многих параметров. Сюда могут относиться зависимости t/вых. макс ОТ Rj t/sbix. макс ОТ напряже-г

1.4. РЕЖИМ СУММИРУЮЩЕЙ ТОЧКИ

По причинам, которые будут обсуждаться ниже, о двух входах усилителя часто говорят как о точке суммирования. Режим этих входов определяется малыми токами смещения и разностью напряжений между входами, ничтожной по сравнению

=1.5мВ

Рис 1.7. Соотношение вход-выход в дифференциальном усилителе.

С напряжениями в любых других точках схемы, когда усилитель используется в схеме с обратной связью. Это обусловлено ВЫСОКИМ коэффициентом усиления операционного усилителя при разомкнутой цепи обратной связи. Например, при выходном напряжении 15 В и коэффициенте усиления без обратной связи 10 000 напряжение между входными выводами (f/д на рис. 1.7) равно и^ик/А, т. е. 15 В/10 ООО, или 1,5 мВ. Важно отметить, что выходное напряжение определяется только малым напряжением между входными выводами (и ничем другим). Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи весьма велик, это входное напряжение должно быть очень малым.

1.5. ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

В схеме на рис. 1.8 [Увых подается непосредственно на инвертирующий вход. Если вспомнить, что напряжение между входными выводами [/д - это то напряжение, которое'усиливается с коэффициентом усиления усилителя Л, то понятно, что при подаче сигнала на неинвертирующий вход напряжение на вы-

ния питания, С/сдв и /см от температуры. Внимательное изучение спецификаций операционных усилителей есть необходимая предпосылка их успешного использования.

Наиболее существенные параметры, такие, как [Усдв и Л, обычно даются при максимальной и минимальной рабочих температурах, а также при комнатной температуре.

ходе усилителя изменится так, что окажется 11 в. = Ubmx/A, после чего выходное напряжение будет оставаться постоянным, пока не изменится входной сигнал. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, [Уд будет очень мало, поэтому (Увых окажется приблизительно равным [Увх.

Например, если на повторитель напряжения (рис. 1.8) подать напряжение 1 В, напряжение на выходе начнет расти, поскольку напряжение +1 В подано на неинвертирующий вход. Напряжение на выходе будет расти до тех пор, пока не

вых

Рис. 1.8. Повторитель напряжения.

а - принципиальная схема; б - эпюры входного и выходного сигналов.

окажется, что [Увых = [Увх, или [Уд 0. Если коэффициент усиления операционного усилителя Л = 10 000, напряжение на выходе перестанет расти, когда окажется, что [Уд=1 В/ 10 000= = 0,1 мВ. По сравнению с 1 В [Уд = 0,1 мВ пренебрежимо мало и приблизительно равно нулю. Если напряжение на выходе превысит 1 В, то изменится полярность [/д, разность [Увх - [Увых

станет неравной нулю, так что напряжение на выходе начнет меняться в обратном направлении (понижаться) до 1 В.

Из закона Кирхгоффа имеем [Увх + [Уд = [Увых. Поскольку

[Увых = -[Уд, получим, что [/д = [Увых/л. Следовательно, [Увх +

+ [Увых/Л = Увых. Если л приближается к бесконечно большому значению, то член [Увых/Л стремится к нулю, и в результате получаем равенство [Увх - [Увых- Так как входной сигнал подан на неинвертирующий вход, сигнал на выходе будет иметь те же фазу и амлитуду, что и входной.

Входное напряжение связано с землей только через входное сопротивление усилителя, которое очень велико, поэтому повторитель напряжения может служить хорошим буферным каскадом.

1.6. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Схема на рис. 1.9 позволяет использовать операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя с высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений Ri и Ra. с Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей (входного тока) является высокое полное входное сопротивление операционного усилителя.

Сопротивления R\ и Ro.c образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, в силу того что ток, необходимый для управления усилителем, очень мал (/см 0). Поэтому через Ri и Ro.c течет одинаковый ток, и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно

f/Bb,x/?l/(/?.--/?o. с).

Если, например, Ивх ~ 1 В, то усилитель будет реагировать на превышение С/д над Ивых/А, меняя выходное напряжение до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе не станет равным напряжению на неинвертирующем входе (т. е. [Уд = [УвыхМ 0). Если /?i = 10 кОм и Ro.c - = 100 кОм, то [Увых должно стать равным 11 В для того, чтобы La стало настолько малым, чтобы точно соответствовать выходному напряжению усилителя. После этого выходное напряжение будет оставаться равным 11 В, пока не изменится входной сигнал.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления нашей схемы,напомним, что1ц^ ~о с' Rbx-*-°o. Имеем /л,--= [У , ?1 и h = URa jRo.c- Напряжение иа инвертирующем входе усилителя равно [Увх + [Уд, поэтому

/ , - (t/вх + С^д) ?.. ho. с = [вых - (fBx + U,)]/Ro. с.

Рис. 1.9.

Неинвертирующий усилитель.

Следовательно, ([Увх + [Уд) ?1 = [[Увых -([/вх + [Уд)] ?о. с По-

скольку [Увых = Л[/д И [Уд = [Увых/Л, ТО ссли, как мы предположили, Л->-оо и [/д о, можно написать [Увх ?1 = (t/вых - - [Увх) /Ro. с. Отсюда найдем коэффициент усиления схемы [Увых/[Увх, который обычно называют коэффициентом усиления