Операционные усилители

В большинстве случаев, рассматривая схе­мы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Опе­рационный усилитель (ОУ)-это диффе­ренциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиле­ния и несимметричным выходом. Прооб­разом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель (разд. 2.18) с двумя входами и несимметричным вы­ходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обла­дают значительно более высокими коэф­фициентами усиления (обычно порядка 105-106) и меньшими выходными импе-дансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диа­пазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В).

рис. 4.1.1 Схематичесое изображение ОУ

Промышленность выпус­кает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, приня­тое для всех типов, представлено на рис. 4.1; входы обозначают (+■) и (—.), и рабо­тают они, как можно догадаться, следу­ющим образом: выходной сигнал изме­няется в положительном направлении когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (—), и наоборот. Символы «+» и «—» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную
фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС).
Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующей» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более под робном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необ­ходимости будем изучать его более тщательно.

Промышленность выпускает буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают различными преимуществами друг перед другом (загляните в табл. 4.1, если вам не терпится окинуть взглядом это море возможностей). Повсеместное распространение получила очень хорошая схема типа LF411 (или просто «411»), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов; ее внешний вид показан на рис. 4.2. Эта схема недорога и удобна в обращении; промышленность выпускает улучшенный вариант этой схемы (LF411A), а также элемент, размещенный в миниатюрном корпусе и содержащий два независимых операционных усилителя (схема типа LF412, которую называют также «удвоен­ный» операционный усилитель). В даль­нейшем в этой главе мы будем использо­вать схему типа LF411 как стандарт опе­рационного усилителя, мы также реко­мендуем вам эту схему в качестве хоро­шей начальной ступени в разработке электронных схем.

Схема типа 4И -это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполяр­ный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор). На рис. 4.3 показано соединение с выводами Корпуса. Точка на крышке корпуса и вы­емка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «уста­новка нуля» (или «баланс», «регулиров­ка») служат .для устранения небольшой асимметрии, возможно в операционном усилителе. Речь об этом пойдет позже в этой главе.

Важнейшие правила

Сейчас мы познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют пове­дение операционного усилителя, охвачен­ного петлей обратной связи. Они спра­ведливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряже­ние, а сформулируем правило I: I. Выход операционного усилителя стре­мится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах-по­рядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

И. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: пра­вило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет на­пряжение на своих входах. Это невозмож­но. (Это было бы несовместимо с прави­лом II.) Операционный усилитель «оцени­вает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами ста­новится равной нулю (если это возможно).

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на опера ционных усилителях. О предосторожно­стях, которые необходимо соблюдать при работе с ОУ, мы поговорим в разд. 4.08, после того как рассмотрим основные схе­мы включения ОУ.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

4.04. Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 4.4. Проанали­зировать ее будет нетрудно, если вспом­нить сформулированные выше правила:

1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потен­циалу земли.

2. Это означает, что: а) падение напряже­ния на резисторе R₂ равно 1/_вых, б) паде­ние напряжения не резисторе R_x равно

3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим U_BhlJR₂ = —U_bJR_l9 или коэф­фициент усиления по напряжению = U_BhlJ /U_bx= —R₂/R_v Позже вы узнаете, что чаще всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Одна­ко сейчас это не имеет для вас значения.

Итак, анализ схемы на ОУ оказался даже чересчур простым. Он, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан неко­торый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резис­тор R_x имеет сопротивление 10 кОм, h резистор R₂-100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В.

Что произойдет? Резисторы i?_x и R₂ обра­зуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рас­согласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изме­нение продолжается до тех пор, пока вы­ходное напряжение не достигнет значения —10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными по­тенциалу земли. Аналогично, если напря­жение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем —10 В, то потенциал на инверти­рующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки А всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовательно, Z_BX = R_v Пока вы еще не знаете, как подсчитать выходной импеданс; для этой схемы он равен нескольким долям ома.

Следует отметить, что полученные ре­зультаты справедливы и для сигналов постоянного тока-схема представляет собой усилитель постоянного тока. По­этому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником являет­ся, например, коллектор предыдущего каскада), у вас может возникнуть желание использовать для связи каскадов конден­сатор (иногда такой конденсатор назы­вают блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сиг­нал переменного тока). Немного позже (когда речь пойдет об отклонениях харак­теристик ОУ от идеальных), вы узнаете, что в тех случаях, когда интерес пред­ставляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.

Схема, которую мы рассматриваем, на­зывается инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедан­сом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых ре-

Рис. 4.5. Неинвертирующий усилитель.

зистор R_l9 как правило, бывает неболь­шим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.5.