Операционные усилители

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход и один выход, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Первоначально использовались для выполнения различных алгебраических и других операций над аналоговыми величинами, откуда и пошло их название. Сейчас, благодаря интегральным микросхемам, операционные усилители (ОУ) широко используются в различных схемах обработки аналоговых сигналов: усилителях постоянного и переменного тока, генераторах, активных фильтрах, компараторах, стабилизаторах напряжения и тока и т.п. ОУ является наиболее распространенным элементом аналоговой электроники, что можно объяснить его универсальность. Условное обозначение ОУ приведено на рис. 2.47. Усилитель имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) или, что одно и тоже, — дифференциальный вход и один выход. В дальнейшем будем заниматься только интегральными ОУ. Они обычно строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 2.48. Такая схема сложнее, чем у ранее рассмотренных простейших УПТ. Основа интегрального ОУ — дифференциальный входной каскад со стабилизатором тока. Hа выходе ОУ для уменьшения выходного сопротивления ставится эмиттерный повторитель. Между ними может быть 1, 2 или 3 каскада усиления напряжения. Структура, как правило, содержит схему сдвига постоянного уровня, необходимую для компенсации смешения (балансировки усилителя). В состав ОУ может входить встроенный стабилизатор напряжения, элементы температурной стабилизации и элементы формирования требуемой частоты характеристики (так называемые цепи коррекции).

Обычно схема строится на n-p-n биполярных транзисторах, но на входе могут быть установлены полевые транзисторы для увеличения входного сопротивления и уменьшение входных токов. Вместо пассивных резисторов используется динамическая нагрузка, т.е. сопротивление нагрузочных транзисторов.

В большинстве случаев ОУ работает с двумя источниками питания.

Идеальный ОУ должен обладать бесконечным коэффициентом усиления, полосой пропускания и входным сопротивлением, а также нулевыми выходным сопротивлением и напряжением смещения нуля:

при .

Реальные параметры ОУ стремятся к идеальным. Рассмотрим основные параметры и характеристики операционных усилителей.

1. Передаточная (амплитудная) характеристика. Представляется в виде двух кривых, одна из которых относится к инвертирующему, а другая — к неинвертирующему входам (рис. 2.49). Характеристику снимают при изменении сигнала на одном входе и нулевом сигнале на другом. Максимальное значение выходного сигнала почти достигает величины напряжений питания +Е и – Е. Наклонному участку соответствует режим пропорционального усиления, при этом угол наклона определяет K_Uоу.

2. Коэффициент усиления. Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению входного:

В лучших образцах интегральных ОУ коэффициент усиления достигает величины сотен тысяч. Однако величина K_Uоу подвержена влиянию изменения температуры, напряжения питания, сопротивления нагрузки. ОУ почти не используется без отрицательной обратной связи. Большое значение K_Uоу позволяет охватить ОУ глубокой отрицательной обратной связью. При этом достигается высокая стабильность схем, параметры которых зависят только от параметров цепи ОС и практически не зависят от K_Uоу.

3. Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала различают дифференциальное входное сопротивление и сопротивление для синфазных сигналов. Дифференциальное входное сопротивление — это сопротивление для входного сигнала, приложенного между двумя входами ОУ. Оно составляет от единиц килоом до мегаом в зависимости от типа микросхемы. Синфазное входное сопротивление — это сопротивление для сигнала, приложенного одновременно к обоим входам относительно общего провода. Определяется между замкнутыми входами и обшей точкой. Оно очень велико, порядка десятков мегаом.

4. Выходное сопротивление. Это сопротивление схемы, измеренное со стороны нагрузки. Оно определяет максимальное значение выходною тока и находится в пределах от десятков Ом до единиц килоом.

Иногда в технической документации на ОУ указывается минимально допустимое значение сопротивления нагрузки.

5. Максимальное дифференциальное входное напряжение U_вхm уровень входного сигнала для предотвращения повреждения входных транзисторов. Во многих ОУ на входе стоят встречно-параллельные защитные стабилитроны или диоды. Любой ОУ не допускает подачу на вход сигналов, амплитуда которых превышает величину напряжения питания.

6. Напряжение смещения (нуля) это напряжение, которое надо подать на вход ОУ, чтобы установить нулевое значение выходного напряжения. Основная причина смещения — разбаланс входного каскада. Типичное значение U_см для ОУ широкого применения составляет 10–50 мВ при температурном дрейфе 5–100 мкВ на 1°С. Специальные ОУ с преобразованием имеют U_см, порядка 0.05 мВ и температурный дрейф 0,5 мкВ на 1°С.

7. Входной ток. Определяется входным сопротивлением. В зависимости от конструкции входного каскада может изменяться от 0.1 мА до 10 мкА при температурном дрейфе 1–40 нА на 1°С.

Разность входных токов по обоим входам DI_вх находится в пределах от 0,1 нА до 1 мкА.

Эти токи надо учитывать, если в цепь входов ОУ включаются резисторы (рис. 2.50). Входные токи вызывают падение напряжения на транзисторах. Эти падения могут быть разными как из-за неравенства I_вх1 и I_вх2, так и из-за неравенства сопротивлений резисторов R₁, R₁, что приведет к разбалансу ОУ. Поэтому надо стремиться к выравниванию сопротивлений между обоими входами и общим проводом.

Балансировку ОУ осуществляют при помощи специального потенциометра, включенного к балансировочному входу ОУ или подачей компенсирующего напряжения на один из входов.

8. Коэффициент подавления синфазных сигналов (К_ОСС) отображает степень подавления совпадающих по фазе сигналов на обоих входах. В идеале, при приложении к обоим входам одного и того же напряжения, выходное напряжение меняться не должно. Реально, из-за не полной симметричности плеч входного дифференциального каскада, выходное напряжение все же немного изменяется. К_ОСС в серийных ОУ находится на уровне 60-110 дБ.

9. Полоса пропускания ОУ характеризуется частотной характеристикой (рис. 2.51). Частота f_ср на которой начинается завал усиления называется частотой среза. Высокая частота f_в на которой коэффициент усиления уменьшается в раз, называется верхней граничной частотой. В справочниках чаще всего указывают частоту f₁ единичного усиления, на которой усиление ОУ падает до 1 (усиление сигнала прекращается). Обычно f₁ находится в пределах 0,1–1,0 МГц, а в быстродействующих ОУ может достигать значения 10–15 МГц.

10. Ток потребления I_п. Характеризует потребление энергии от источника питания. В ОУ широкого применения имеет значение 5–15 мА, но специальные микромощные ОУ могут иметь I_п не более 0,2 мА (микросхема К140УД5).

11. Напряжение питания характеризуется номинальным значением, а также допустимыми минимальным и максимальным значениями, при которых сохраняется работоспособность микросхемы.

12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Определяет реакцию ОУ на скачкообразное изменение входного напряжения (рис. 2.52). Значение V_и может находиться в пределах от 0,1 до 150 В/мкс. Временем установления выходного напряжения t_уст называется время, в течение которого U_вых возрастает от 0,1 до 0,9 максимальной значения.

Некоторые ОУ имеют выходы коррекции, позволяющие повысить быстродействие микросхемы, однако надо иметь в виду, что это приводит к снижению устойчивости, к самовозбуждению.

Организация обратных связей в ОУ показана на рис. 2.53. В большинстве случаев используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению (рис. 2.53, а). При этом сигнал обратной связи с выхода ОУ подается на инвертирующий вход. На этот же вход подается сигнал, если требуется усиление с инвертированием фазы. Если же инвертирование фазы не нужно, то сигнал подается на неинвертирующий вход.

При последовательной отрицательной обратной связи по напряжению (рис. 2.53,б) величина обратной связи определяется выражением:

а при последовательной отрицательной обратной связи по току (рис.2.53, в):

Классификация операционных усилителей. Большинство ОУ являются ОУ широкого применения. Параметры таких усилителей обеспечивают их универсальность для большинства возможных применений в электронных схемах:K_U = 1 × 10³ – 50 × 10³; e_см = 2–20 мВ; I_вх = 8 мкА – 1 мА; f₁=0,3–5,0 МГц; K_ОСС = 60–80 дБ.

Для создания измерительных устройств, работающих с очень слабыми сигналами на фоне синфазных и температурных помех, применяются прецизионные ОУ. Они обладают большим усилением, малыми входными токами и смещением нуля, повышенной температурной стабильностью и лучшим подавлением синфазных сигналов: K_U = 2 × 10⁵ – 10 × 10⁵; e_см = 0,05–1,0 мВ; I_вх = 0,5 – 100 нА; K_ОСС=90–100 дБ.

Быстродействующие ОУ характеризуются высокими значениями частоты единичного усиления (f₁ = 10–15 мГц) и скорости нарастания выходного напряжения (V_{U вых} = 20–150В/мкс).

Микромощные ОУ имеют малое потребление тока от источников питания (доли мА) и могут работать при низком напряжении. Но следует иметь в виду, что быстродействие таких ОУ не велико.

Мощные ОУ могут работать с токами нагрузки до 1 A, а высоковольтные ОУ работают при напряжении питания 20–28 B, соответственно формируя высокое выходное напряжение.

Выбор операционного усилителя производится в зависимости от условий его работы в конкретной схеме и в конкретных условиях. Усилителя, обладающего наилучшими возможными значениями всех основных параметров (усиление, быстродействие, входное сопротивление, смешение нуля и его дрейф) не существует.

Схемотехника простейших преобразователей аналоговых сигналов на ОУ. Основой большинства усилительных схем является инвертирующий усилитель (рис. 2.54). В нем используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению. Как следует из названия, такой усилитель меняет фазу сигнала на 180° . Если принять R_{вх оу} = ¥ и I_оу = 0, что справедливо при K_Uоу ® ¥, то справедливо выражение для коэффициента усиления всего усилителя:

При этом суммирование входного сигнала и сигнала обратной связи происходит в точке О, потенциал которой относительно общего проводя U₀ пренебрежимо мал:

При схема становится инвертирующим повторителем.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению резистора R₁. Выходное сопротивление:

При

Полоса пропускания определяется частотой единичного усиления f₁ОУ и увеличивается пропорционально снижению K_U.

Для уменьшения смещения ОУ неинвертирующий вход надо подключать к общему проводу не непосредственно, а через резистор R₂ равный сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁ и R_ос (рис. 2.55):

фф

Для уменьшения влияния входных погрешностей входной ток сигнала должен быть значительно больше токов входных погрешностей:

Дрейф нуля усилителя (DI_вх R_ос) пропорционален R_ос, поэтому при всех остальных равных условиях надо стремиться R_ос ставить как можно меньшим. Минимальное значение R_ос ограничивается максимально допустимым выходным током:

Максимальное значение R_ос ограничено допустимым значением смещения. Обычно значение R_ос находится в пределах от десятков кОм до 1 Мом. Увеличение резисторов R₁ и R₂ ухудшает быстродействие и помехоустойчивость схемы.

Неинвертирующий усилитель (рис. 2.56) не меняет фазу усиливаемого сигнала. Этот усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по выходному напряжению. Соотношение резисторов R_ос и R₁ определяет коэффициент усиления:

Входное сопротивление такого усилителя велико и равно входному сопротивлению используемого ОУ по неинвертируемому входу. При R_ос = 0 и R₁ = ¥ неинвертирующий усилитель превращается в повторитель (рис.2.57). В этом случае схема имеет максимальное входное сопротивление и является аналогом эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя:

При

Для уменьшения выходных погрешностей за счет входных токов сопротивление R₁ || R_ос должно быть равно сопротивлению источника сигнала, подключенного к неинвертирующему входу. При использовании емкостной связи с источником сигнала вход неинвертирующего усилителя нельзя оставлять незаземленным (рис. 2.58). В этом случае входное сопротивление схемы будет определяться резистором R₂.

Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ обладают высокой стабильностью за счет наличия глубокой обратной связи. Они могут использоваться для усиления сигналов постоянного и переменного тока.

Суммирующий усилитель (рис. 2.59) является частным случаем неинвертирующего усилителя, работающего с несколькими входными сигналами. Выходное напряжение определяется алгебраической суммой входных сигналов:

Усиление но каждому входу можно масштабировать. Если , то . Главное достоинство инвертирующего суммирующего усилителя то, что суммирование сигналов происходит в точке с квазинулевым потенциалом без взаимных помех. Поэтому неинвертирующие суммирующие усилители почти не применяются. Неинвертирующий вход усилителя по схеме рис. 2.59 может подключаться к общему проводу через резистор в соответствии с вышеизложенными соображениями.

Дифференциальный (разностный) усилитель предназначен для усиления разности двух напряжений U₁ и U₂ (рис. 2.60). Он представляет собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Схема позволяет преобразовать дифференциальный незаземленный источник сигнала в выходное напряжение относительно общего провода.

В общем виде:

Для случая, когда и получим:

Это значит, что . При этом погрешности за счет входных токов будут минимальны.

Входные сопротивления по обоим входам не обязательно одинаковы.

Преобразователь тока в напряжение показан на рис. 2.61. Он представляет собой вариант инвертирующего усилителя при R₁ = 0. Инвертирующий вход подключается к источнику сигнала непосредственно, а неинвертирующий — к общему проводу прямо или через резистор. Работа схемы описывается уравнением:

Отсюда .

Малое выходное и большое входное сопротивления являются достоинством преобразователя.

На рис. 2.62 показан простейший интегратор. Выходное напряжение интегратора является интегралом входного сигнала:

Это выражение справедливо лишь при нулевых начальных условиях, т.е. U_выx = 0 при t = 0. Для умышленного создания начальных условий в интегратор может вводиться ключ K, замкнутый в исходном состоянии и размыкаемый с началом интегрирования. При отсутствии нулевых начальных условий:

Следовательно, в интеграторе усиление не постоянно и коэффициент усиления является комплексной величиной.

Величина называется постоянной времени интегратора. Скорость изменения выходного напряжения пропорциональна входному сигналу и обратно пропорциональна постоянной интегрирования t. Нарастание выходного напряжения при постоянном входном сигнале происходит по экспоненте с очень большой t, так что эта экспонента практически не отличается от прямой (рис. 2.62,б).

Длительность входного сигнала Т и постоянная интегрирования t должны быть такими, чтобы выходное напряжение не достигло величины насыщения U_{вых max} данного ОУ. После исчезновения входного сигнала интегратор сохраняет достигнутое значение U_вых, вследствие чего он может служить динамическим запоминающим устройством. Однако, из-за разряда конденсатора через резистор R и выходное сопротивление ОУ накопленное напряжение долго храниться не может. Если принять R = l МОм, а C = l мкФ, то интегрирование происходит в реальном масштабе времени с постоянной t = 1 с.

Если на вход интегратора подать синусоидальный сигнал, то интегратор будет вести себя как фильтр низкой частоты, у которого усиление тем меньше, чем больше частота.

В практической схемотехнике часто для увеличения помехоустойчивости линейных усилителей к высокочастотным наводкам и шумам применяют шунтирование конденсатором резистора R_ос обратной связи, т.е. вносят слабое интегрирование сигнала. Величина конденсатора берется достаточно малой, чтобы не снижать частотность усилителя.

Дифференциатор сигнала изображен на рис. 2.63. Он используется гораздо реже интегратора. Выходное напряжение схемы пропорционально не входному сигналу, а скорости его изменения:

По этой причине даже очень слабые сигналы высокой частоты (например, шумы) могут вызвать значительное напряжение на выходе схемы. Коэффициент передачи дифференциатора:

При подаче на вход дифференциатора прямоугольного сигнала, на его выходе возникнут импульсы, соответствующие переднему и заднему фронту входного сигнала (рис. 2.63, б). При подаче на вход линейного сигнала (рис. 2.63, в) выходное напряжение будет зависеть от крутизны нарастания. Полярность выходного напряжения определяется направлением изменения входного напряжения.

При подаче на вход дифференциатора синусоидального сигнала он работает как фильтр высокой частоты, у которого усиление тем меньше, чем меньше частота сигнала.

Иногда для ограничения усиления на высоких частотах и уменьшения чувствительности к высокочастотным помехам последовательно с конденсатором включают резистор R_n. В этом случае дифференцирование будет производиться без ошибок на частотах ниже величины:

На рис. 2.64 показан усилитель переменного напряжения с одним источником питания. Делитель R–R образует постоянное смещение усилителя на середину напряжения питания Е. Емкость С, шунтирующая одни из резисторов делителя, имеет целью подавление пульсации в напряжении смещения. Входной сигнал подается на инвертирующий вход через разделительный конденсатор C_p1. Усиление определяется отношением . Амплитуда выходного сигнала ограничена величиной Е/2.

Очень широко используются различные ограничители напряжения на ОУ. На рис. 2.65 показан двухсторонний ограничитель напряжения. Уровни ограничения определяются напряжением стабилизации используемых стабилитронов.

Можно построить ограничитель напряжения с регулируемым уровнем ограничения. Вариант такого ограничителя показан на рис. 2.66. В этом ограничителе уровень ограничения определяется напряжением U_огр, подаваемым на не инвертирующий вход. При обращая связь в схеме оказывается разорванной запертым диодом и входное напряжение U_вх проходит на выход ограничителя. При диод открывается, и схема работает как неинвертирующий повторитель сигнала U_огр.

Активные фильтры

Электрическим фильтром называют устройство, пропускающее сигналы одних частот и задерживающее сигналы других частот. Область пропускаемых частот называется полосой пропускания, а область задерживаемых частот - полосой заграждения. В зависимости от формы амплитудно-частотной характеристики различают следующие типы фильтров: фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (ПФ) и заграждающие или режекторные (РФ) фильтры. Современные аналоговые фильтры конструируются на основе операционных усилителей с внешней обвязкой резисторами и конденсаторами, создающей необходимые частотные свойства фильтра. Фильтры одного типа различаются порядком, определяемым степенью оператора Лапласа в знаменателе характеристического уравнения в знаменателе передаточной функции фильтра. Чем выше порядок фильтра, тем круче склоны частотной характеристики, но сложнее схема и труднее обеспечить стабильность характеристик и настройку параметров: коэффициента передачи К₀ , характеристической частоты затухания ω₀ , и коэффициента затухания ξ.

На рис.2.67 показана принципиальная схема и характер АЧХ фильтра низких частот второго порядка с повторителем напряжения на операционном усилителе. Для R₁=R₂=R основные параметры можно представить в виде:

Выбрав R, получим:

На рис.2.68. показан фильтр верхних частот второго порядка на основе повторителя. Приняв С₁=С₂=С, получим:

На рис.2.69 показан вид амплитудно-частотных характеристик полосового и заграждающего фильтров. Любой селективный усилитель играет роль активного полосового фильтра. Полосовые фильтры применяются в случаях, когда необходимо выделить из многочастотного входного сигнала полезный сигнал заданной частоты. Напротив, режекторный фильтр подавляет сигналы, находящиеся в полосе подавления. Например, помехи частоты питающей сети. 8