Характеристики операционных усилителей: Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности? / Хабр

Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности? / Хабр

Операционный усилитель – одна из базовых схем аналоговой электроники, на основе которой можно строить сложные системы. Данный элемент существует как отдельно, так и присутствует в составе почти всех интегральных микросхем: управления питанием AC/DC,DC/DC,LDO, АЦП, ЦАП, интерфейсы, синтезаторы частот, микроконтроллеры и тд. Система, в которой будет использоваться усилитель накладывает определенные ограничения на его параметры. Как измерить параметры усилителя и с какими трудностями можно столкнуться?

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp — неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

1. Ku – коэффициент усиления.

2. Vos – напряжение смещения нуля.

3. Диапазон входных и выходных напряжений.

4. GBW – частота единичного усиления.

5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.

6. Noise – собственный уровень шума усилителя

7. Iin – входной ток.

8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.

9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.

10. V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.

11. P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Коэффициент усиления Ku

Для измерения коэффициента усиления соберем схему, для работы которой необходимо применять вспомогательный усилитель.

Схема измерения коэффициента усиления

Для того, чтобы при измерении избавиться от напряжения Vos, необходимо производить измерения 2 раза, при разных G4.
1. G4=U1, тогда Uxi=Ux1.
2. G4=U2, тогда Uxi=Ux2.

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Составим уравнения для 2-х этапов измерения, проводя следующие замены переменных:
1. V1→V11, V3→V31, V4→V41, Ux_i→Ux₁, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Ux_i→Ux₂, G4=U2.

Получаем систему из 8-ми уравнений с 8-ю неизвестными: V11, V12, V31, V32, V41, V42, Ku, Vos. Решая уравнения, получаем:

Примечания к схеме моделирования

Измеряемое напряжение Uxi будет равно:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R3, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Переходим от теории к практике: подгружаем spice модель вспомогательного усилителя в симулятор и собираем схему измерения.

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Для компенсации всей системы необходимо использовать RC цепь на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя.

Для измерений источник vtest создает 2 уровня напряжений U2, U1, после чего замеряется напряжение на vin, и по формуле пересчитывается в коэффициент усиления:

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя (для различных G3)

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя для различных G3

Для исследуемого усилителя получается 105дБ.

Возможные трудности при измерениях

1) Влияние смещения нуля на рабочую точку вспомогательного усиления. При смещении нуля исследуемого усилителя 5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При моделировании с включенными в симуляторе шумами транзисторов, их амплитуда оказывается сопоставимой с разницей напряжений, необходимых для вычислений Ku:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Для улучшения точности измерений необходимо использовать усреднение, однако оно не помогает полностью избавиться от шума. Если коэффициент усиления не слишком высокий, шум не будет сильной помехой. У исследуемого усилителя минимальное значение Ku=66дБ:

Получается, чтобы отбраковать усилитель нужно задетектировать 0.4В, что с таким уровнем шума является легкой задачей.

3) Напряжение на выходе исследуемого усилителя будет равно V12+V12−Vtest. Для повышения точности необходимо задавать разницу между двумя vtest как можно больше, однако все это ограничивается допустимым выходным напряжением усилителя, это нужно также учитывать.

Смещение нуля Vos

Рассмотрим схему для измерения смещения:

Схема измерения коэффициента усиления

Найдем формулу, которая будет определять напряжение смещения.

Вывод формулы

Составим систему уравнений:

Решая систему неизвестные V1 и Vos, получаем:

Итого:

Примечания к схеме моделирования

Выходное напряжение вспомогательного усилителя определяется формулой:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R5, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Проведем AC анализ с цепью коррекции:

AC анализ на стабильность обратной связи

AC анализ на стабильность обратной связи

Система работает стабильно, теперь проведем измерения для разных смещений нуля: Voff=-5m:2m:5m

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

При измерении смещения выход вспомогательного усилителя варьируется от -3.5В до 5.4В. Итого для Vos при Vcm=0.4, 1.5 получаем следующие значения по формулам:

Возможные трудности при измерениях

1) При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -3. 5В. Для vos=5мВ – напряжение становится 5.4В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При добавлении шума, картина измерений не сильно ухудшается:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Результаты для измерений с шумом используется усреднение:

Частота единичного усиления f1/GBW

Рассмотрим схему измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления

Найдем формулу, которая будет определять частоту единичного усиления:

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Неизвестные: V3, V4, Vin, Ku. Решим систему и найдем чему равен Ku:

Переходя к амплитудам переменных сигналов с частотой f₀, учитывая, что сигналы V2 и V1 сдвинуты на 180 градусов, а G3=const:

Если Ku имеет наклон 20db/dec вплоть до f1, тогда передаточную характеристику, можно представить в виде:

AЧХ данной характеристики можно представить как:

Если проводить измерения отступив от полочки, АЧХ можно записать в след виде:

Для частоты единичного усиления:

Проводим измерения для частоты

Подставляем уравнение 1, получаем финальное выражение для частоты единичного усиления:

Примечания к схеме моделирования

1. Для использования данной методики необходимо учитывать, что наклон АЧХ должен составлять 20дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления.

2. Запишем уравнение для V4:

   Для того, чтобы система не выходила из режима, необходимо подбирать R2 >> R3. Также увеличение R2 приведет к увеличению V1, что повысит точность измерений.

3. При переходе от сигналов к амплитудам, необходимо помнить о предположении, что V2 и V1 отстают друг от друга на 180 градусов, поэтому при подборе цепи коррекции, необходимо убедиться в данном предположении.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения частоты единичного усиления, собранная в симуляторе

Проведем ac анализ для данной системы:

AC анализ на стабильность обратной связи

Из графика видно, что для стабильной работы нужно использовать частоту f0 в диапазоне от 1-20кГц.

По моделированию наклон АЧХ усилителя имеет 20дб/дек, поэтому метод справедлив. Итого для различных технологических корнеров, температур и питания получаем результаты:

Результаты моделирования для различных технологических корнеровВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать увеличивать резисторы R1, R2, R5 в моем случае R1=R5=10кОм,R2=50кОм, чтобы увеличить амплитуду сигнала v1 и vout, что повышает точность измерений.

2. Можно увеличить амплитуду входного сигнала для увеличения точности в моем случае до 500мВ.

При выполнении пунктов выше влияние шума становится минимальным.

Метод 2 для измерения f1

Существует более простой метод для измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления (метод 2)

Для измерения на вход емкости Cin подается синусоидальный сигнал. Частота сигнал изменяется, до поры, пока амплитуда входного сигнала не станет равной амплитуде выходного.

Резисторы Rout и Rin подбираются исходя из того, чтобы амплитуда на выходе Ux не превышала напряжение питания. Однако в единичном включении схему составлять нельзя. Из-за плавного спада амплитуды, что заведомо будет уменьшать частоту единичного усиления при измерениях:

АЧХ цепи: синим — собственная АЧХ усилителя, зеленым — АЧХ усилителя с обратной связью > 1, красным — АЧХ усилителя с единичной обратной связью

Поэтому при выборе резисторов необходимо добавлять коэффициент обратной связи обычно влияние спада становится слабым при усилении более 20дБ.

Минусы метода:

1. Большая часть усилителей не рассчитана на работу с сигналом большой амплитуды на высоких частотах нелинейности будут влиять на амплитуду – следовательно и на результат измерений. К примеру, для данного усилителя на 10МГц нужно подавать сигнал 10мВ для отсутствия искажений.

2. При использовании малых сигналов, шумы становятся по амплитуде сопоставимы с полезным сигналом.

3. Требуется высокочастотный генератор для усилителей с большой полосой.

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Уравнение идеального ОУ можно записать так:

Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:

CMRR определяется как отношение Ad к Acm.

Рассмотрим схему для измерения CMRR:

Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:

1. G1 = U1, Ux_i = Ux1, Vi=V1;

2. G1 = U2, Ux_i = Ux2, Vi=V2;

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

Составим систему уравнений, с учетом влияния CMRR на систему:

Выведем уравнение для Uxi:

Для разности Uxi 2-х этапов измерения, справедливо:

Учитывая тот факт, что и :

Итого:

Примечания к схеме моделирования

1. Исходя из уравнения 1, видно что на вклад постоянного напряжения выхода вспомогательного усилителя сильно влияет Vos с коэффициентом R3/R1.

2. Для использования уравнения для CMRR, необходимо, чтобы .

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения коэффициента подавления синфазной помехи, собранная в симуляторе

Проведем tran анализ для измерения CMRR. Рассмотрим сигналы vcm и vin:

Временной анализ (на графике красным — выход вспомогательного усилителя, синим — вход синфазного уровня исследуемого усилителя)

В аналоговой электронике существует один из видов теста -Монте-Карло, который статистически разбрасывает параметры компонент транзисторов, конденсаторов, резисторов. Именно из-за неидеальностей технологий появляется усиление Acm. Проведем данный анализ и определим максимальное и минимальное значение CMRR:

В монте-карло анализе получаем следующие результаты:

Результаты по CMRR для исследуемого усилителяВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать биполярный усилитель для компенсации части Uxi, которую вносит смещение: R3/R1 * Vos.

2. Шум не сильно будет влиять, для 66dB – dUx > 1.65В.

Входной ток Iin1, Iin2

Рассмотрим схему для измерения входных токов:

Схема измерения входных токов ОУ

Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:

1. R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux₁. ключи S2, S1 — замкнуты.

2. R3 — активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux₂._{ключ S1 — разомкнут, S2 — замкнут.}

3. R4 — активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux₃. ключ S2 — разомкнут, S1 — замкнут.

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

1) Эквивалентная схема при включении на 1 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 1

Запишем систему уравнений:

2) Эквивалентная схема при включении на 2 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Вывод формулы

3) Эквивалентная схема при включении на 3 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 3

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Итого получаем 9 уравнений. Неизвестные: V1, V12, V13, V3, V2, V23, Iin1, Iin2, Ku.

Решая систему уравнений получаем следующие формулы для входных токов:

Примечания к схеме моделирования

1. При выводе формулы считается, что входной ток усилителя не зависит от входного напряжения. Этот факт дает небольшую погрешность в измерениях.

2. Для повышения точности измерений, необходимо увеличивать резисторы R3,R4,R5. Также необходимо, чтобы R1 << R5.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения входных токов ОУ

Из-за низкого входного тока, для проверки работоспособности схемы используем входные источники тока, подключенные к выводам ta2 и tb2. По методологии, описанной ранее, изменяя положение ключей, рассчитываем входной ток. На рисунке изображен выход вспомогательного усилителя для максимальных входных токов 100нА:

Временная диаграмма выходов вспомогательного усилителя для различных G3

Проводим тест для различных G3, и в итоге получаем:

Возможные трудности при измерениях

1.  При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2. При моделировании с включенным шумом внутренних компонентов усилителя, его уровень становится сопоставимым с разницей напряжений при маленьком входном токе 1нА:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 1нА, с учетом шума

Точно маленькие токи данным методом не измерить, однако для отбраковки, при усреднении необходимо задетектировать токи в 100нА, что с текущем уровнем шума довольно легко сделать:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 100нА, с учетом шума

Заключение

Надеюсь, не сильно утомил читателей формулами, однако для понимания необходимо было все точно вывести. Большинство схем были взяты из советского госта, к сожалению, описание там никуда не годится, ко всему прочему он имеет ошибки. Зато данные схемы можно использовать радиолюбителю в случае необходимости проверить заявленные характеристики усилителя, ведь схемы не требуют создавать стенд с дорогостоящим оборудованием.

Схемотехника и характеристики операционных усилителей — Студопедия

Поделись  

Основным элементом современных устройств аналоговой обработки сигналов является операционный усилитель (ОУ). Это усилитель постоянного тока, выполненный в виде монолитной интегральной микросхемы (ИМС) и обладающий большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Первоначально усилители с подобными характеристиками использовались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных устройствах, отсюда их название.

Современные ОУ имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, знание которой в общих чертах необходимо для того, чтобы выбирать параметры элементов внешних цепей, понимать назначение цепей коррекции, анализировать схемы с нестандартным включением усилителя, определять допустимые замены, отыскивать неисправности.

Схемотехнические приемы, использующиеся в ОУ, характерны и для других интегральных схем, выполняющих обработку аналоговых сигналов.

Основным схемотехническим узлом аналоговых интегральных схем является дифференциальный усилитель (ДУ), показанный на рис. 1.1, а.

ДУ усиливает разность сигналов U_вх.д = U_вх1 – U_вх2 , а его выходным сигналом является разность U_вых = U_вых1 – U_вых2 . Коэффициент усиления дифференциального сигнала

(1.1)

Схема идеального ДУ симметрична, поэтому если на оба входа подать один и тот же сигнал (такой сигнал называется синфазным), то токи транзисторов I₁ и I₂ равны I_г /2 и не изменяются.

В реальном ДУ из-за разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока I_г при подаче входного синфазного напряжения

U_вх.с = U_вх1 = U_вх2 возникает выходное напряжение U_{вых. с} ≠ 0. Отношение К_у.с = U_вых.с /U_вх.с называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. В справочной литературе способность ОУ подавлять синфазный сигнал характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_ос.с = К_у.д/К_у.с .

Если входное дифференциальное напряжение не равно нулю, то происходит перераспределение тока I_г между транзисторами. Определим токи, используя известное соотношение для транзистора:

(1.2)

где I_к0 – обратный ток перехода эмиттер-база;

U_бэ– прямое падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора;

j_Т = kT/e

₀ – температурный потенциал;

k = 1,38 Дж/К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

е₀ = 1,6∙10^-19 Кл – заряд электрона.

Для оценочных расчетов можно принять φ_Т ≈ 25 мВ при 20˚С.

Таким образом, для транзисторов дифференциального усилителя

Величина I_к0 неизвестна, однако можно найти отношение

Решая это уравнение совместно с равенством I₁ + I₂ = I_Г, находим:

(1.3)

Зависимости и показаны на рис. 1.1, б.

Усиление транзисторного каскада принято характеризовать крутизной В случае дифференциального каскада

Тогда

Подставляя в (1.1) U_вых = I₂R₂ – I₁

R₁, получаем с учетом R₁ = R₂: К_у.д = SR₁.

Здесь, как и далее в учебном пособии, в соответствии с требованиями отечественных стандартов ЕСКД буквенно-цифровые позиционные обозначения элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности) указаны без индексов, а их параметры – соответствующими буквами с индексом: так, например, резистор R1 имеет сопротивление R₁ и т. д.

Нетрудно показать математически (это видно и из графика рис. 1.1, б), что S = S_max при U_вх.д = 0. Тогда

и

Как следует из выражения для К_у.д.max, увеличения коэффициента усиления можно достичь, увеличивая I_Г и сопротивление нагрузки. Ни один из этих способов не является рациональным, так как в первом случае увеличивается потребляемый ток и снижается входное сопротивление усилителя, а во втором – увеличивается площадь резисторов на кристалле и возрастает требуемое напряжение питания.

Решение проблемы заключается в замене резисторной нагрузки на транзисторный источник тока с высоким внутренним сопротивлением. Простейшая структура транзисторной нагрузки показана на рис. 1.2, а. Этот узел называют отражателем тока или токовым зеркалом. Задающим является ток I₁, отраженным – ток I₂. Напряжения база-эмиттер U_бэ транзисторов VT1 и VT2 равны. Так как транзисторы выполнены на одном кристалле в едином технологическом процессе, то их параметры практически идентичны, и при достаточно большой величине h_21э справедливо равенство

откуда следует I₁ = I₂.

Ток IГ также должен формироваться транзисторным источником с высоким внутренним сопротивлением. Одна из распространенных схем (рис. 1.2, б) представляет собой модификацию отражателя тока. Выходной ток где

Выходной сигнал дифференциального каскада усиливается по напряжению промежуточным каскадом и по мощности – выходным каскадом.

Типичная трехкаскадная схема современного ОУ, показанная на рис. 1.3, является несколько упрощенной, однако дает достаточное представление для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре.

Вход, обозначенный на рис. 1.3 знаком «–», называется инвертирующим

, так как при изменении напряжения, подаваемого на него, выходное напряжение изменяется с противоположным знаком. Соответственно изменение напряжения на неинвертирующем входе, обозначенном знаком «+», вызывает синфазное изменение выходного напряжения.

Промежуточный каскад выполнен на транзисторе VT7. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5, а для увеличения коэффициента усиления промежуточного каскада его нагрузкой является источник тока на транзисторе VT6. Выходной каскад на транзисторах VT10, VT11 представляет собой двухтактный усилитель мощности. Резисторы R в эмиттерах выходных транзисторов ограничивают сквозной ток в режиме переключения и одновременно являются датчиками тока перегрузки: при возрастании выходного тока увеличивается падение напряжения на резисторе R, вследствие чего открывается один из транзисторов VT8 или VT9

, ограничивая ток базы выходного транзистора.

Выводы, обозначенные «FC» и «NC«, предназначены соответственно для частотной коррекции и для коррекции нуля; их назначение описано ниже.

На рис. 1.4, а показаны условные графические обозначения ОУ, используемые в технической литературе. Инвертирующий вход обозначается знаком «–» или знаком инверсии ○. Чаще всего в иллюстративных целях изображают только входы и выходы; при необходимости показать цепи питания и коррекции дополнительные выводы могут располагаться сверху и снизу. При выполнении конструкторских документов необходимо соблюдать требования стандартов ЕСКД, согласно которым ОУ, соответствующий рис. 1.3, должен изображаться так, как показано на рис.1.4, б.

Важнейшие параметры ОУ. Параметры, характеризующие качество ОУ, можно разделить на три большие группы: статические, динамические и эксплуатационные.

Статические параметры влияют на точность преобразования медленно меняющихся сигналов. Важнейшие из них – коэффициент усиления, напряжение смещения и входной ток.

Динамические параметры характеризуют быстродействие ОУ. Их можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся частота среза f_ср и частота единичного усиления f_т. Эти параметры называются малосигнальными, так как они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ. Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения v и мощностная полоса пропускания f_p. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале (U_вх.д

>> 50 мВ для ОУ на биполярных транзисторах и U_вх.д >> 1 В для ОУ с полевыми транзисторами на входе).

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей (максимальное входное синфазное и дифференциальное напряжения; максимальный выходной ток или минимальное сопротивление нагрузки) и требования к напряжению питания. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ.

Параметры ОУ изменяют свое значение при изменении температуры и напряжения питания. Это явление называется дрейфом.

Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления ДУ и промежуточного усилителя. Коэффициент усиления входного ДУ равен произведению его крутизны на сопротивление нагрузки R_н1 = R_вых1||R

_вx2, где R_вых1 = r_к2||r_к4 – выходное сопротивление ДУ; R_вх2 = h_21э(r_э5 + h_21эr_э6) – входное сопротивление промежуточного усилителя. Здесь r_к – сопротивление обратно-смещенного перехода коллектор-база соответствующего транзистора; r_э – сопротивление открытого перехода эмиттер-база; h_21э – дифференциальный коэффициент усиления транзистора по току. Коэффициент усиления промежуточного усилителя равен произведению его крутизны S₂ на сопротивление его нагрузки h_21эR_н, где R_н – сопротивление нагрузки на выходе ОУ.

Типичными для массовых ОУ среднего уровня являются следующие значения: r_к = 1 МОм, I₁ = 10 мкА, I₂ = 300 мкА, h_21э = 100, R_н = 2 кОм. При этом расчетное значение коэффициента усиления ОУ порядка 5·10⁵. Фактическое значение коэффициента усиления в несколько раз меньше из-за действия внутренней паразитной отрицательной обратной связи.

Напряжение смещения нуля и способы его уменьшения.При равных потенциалах на входах реального ОУ его выходное напряжение отличается от нуля. Для компенсации этой погрешности на вход ОУ необходимо подать некоторую разность напряжений, называемую напряжением смещения нуля U_см. В ДУ на биполярных транзисторах величина U_см определяется в основном разбросом напряжений база-эмиттер входных транзисторов, в ДУ на полевых транзисторах – разбросом напряжений затвор-исток. Значение U_см составляет обычно от 2 до 5 мВ для биполярных входных каскадов и от 20 до 50 мВ для каскадов на полевых транзисторах. Для компенсации напряжения смещения во многих ОУ предусмотрены специальные выводы NC (см. рис. 1.3), к которым подключается компенсирующий потенциометр R_к.

Температурный дрейф напряжения смещения составляет обычно от 3 до 10 мкВ/ºС; дрейф, вызванный изменением напряжения питания – от 10 до 100 мкВ/В.

Входные токи, протекая через цепи источников входных сигналов, создают разницу падений напряжений на их внутренних сопротивлениях Rвн1 и Rвн2,равную ΔU = Iвх1Rвн1 – Iвх2 Rвн2 (рис. 1.5). Величина ΔU действует на входе ОУ как ложный дифференциальный сигнал.

Входные токи.В ДУ на биполярных транзисторах I_вх = I₁/h_21э. При типичных значениях I₁ = 10мкА и h_21Э = 100 получаем I_вх = 0,1 мкА. Температурный дрейф входных токов определяется в основном температурным дрейфом коэффициента усиления по току h_21э, так как ток генератора I_Г стабилизирован. В ДУ на полевых транзисторах входные токи на несколько порядков меньше (типичные значения от 0,05 до 0,2 нА), однако их зависимость от температуры гораздо сильнее.

Для уменьшения ошибки, вызванной входными токами, необходимо уравнять эквивалентные сопротивления, подключенные к входам ОУ. При необходимости для этой цели последовательно с входом ОУ включают дополнительный резистор.

Динамические параметры ОУ. Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичные частотные характеристики операционного усилителя изображены на рис. 1.6. При увеличении частоты входного сигнала величина дифференциального коэффициента усиления К_у(f) уменьшается, а отставание по фазе φ(f) выходного сигнала относительно входного увеличивается и рано или поздно достигает величины минус 180º. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУв этой частотной области фактически меняются ролями: отрицательная обратная связь, которая обычно осуществляется подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя, становится положительной. При этом возможно возникновение автоколебаний усилительной системы. Для исключения самовозбуждения между выходами ДУ и промежуточного усилителя включают конденсатор частотной коррекции C_к. Для этого в корпусе ОУ предусмотрены специальные выводы FC (см. рис. 1.3). Во многих современных ОУ корректирующий конденсатор выполняют встроенным.

Величина C_к выбирается таким образом, чтобы передаточная функция усилителя была однополюсной, т. е., чтобы его частотная характеристика была эквивалентна характеристике апериодического звена первого порядка (пунктирная прямая на рис. 1.6). На высоких частотах именно C_к является нагрузкой ДУ. Следовательно, на частотах, превышающих частоту полюса,

Отсюда можно найти частоту единичного усиления f_т = I₁/(2πφ_тС_к). Типичным для универсальных ОУ является значение f_т ≈ 1 МГц.

Если на вход ОУ подан дифференциальный прямоугольный сигнал U_п , полностью переключающий ток I_г = 2I₁ из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Минимальное значение U_п зависит от типа входных транзисторов ДУ. Например, в ОУ на рис 1.3 отношение токов в плечах ДУ равно 9 при U_п = 50 мВ, а при U_п = 100 мВ это отношение примерно равно 70. В ОУ с полевыми транзисторами на входе для полного переключения токов в ДУ необходимо между его входами подать напряжение порядка 1–3 В. Скорость нарастания выходного напряжения v будет определяться скоростью заряда С_к током 2I₁, ее значение для массовых ОУ обычно не превышает 1 – 2 В/мкс.

Важной динамической характеристикой ОУ является мощностная полоса пропускания f_p – частота, до которой сохраняется максимальный (обычно ± 10 В) размах выходного напряжения ОУ. Если выходной сигнал синусоидален, то U_вых(t) = U_msin2πft, и его максимальная скорость нарастания v = dU_вых(t)/dt при t = 0 составляет U_m2πf. Отсюда при U_m = 10 В и v = 1 В/мкс получаем f_p ≈ 16 кГц.

Разновидности ОУ. Параметры ОУ постоянно улучшаются за счет применения новых схемотехнических решений и совершенствования технологии. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно: улучшение одного параметра часто осуществляется за счет другого. Например, увеличение коэффициента усиления влечет за собой ухудшение частотных свойств и наоборот. Кроме того, требования к ОУ в различных областях схемотехники неодинаковы: так, в измерительных устройствах важнее всего точность, в схемах обработки сигналов на первый план часто выходит быстродействие.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Их 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 ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и на полевых транзисторах с изолированным затвором. В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или МОП-транзисторы обычно используются в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление.

Большая часть выпускаемых ОУ – усилители общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой мощности. Обычные параметры: K_U = (20–200)∙10³; U_см = 0,1–20 мВ; f_т = 0,1–10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_т = 20–1000 МГц, v = 10–1000 В/мкс). Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (более 5∙10⁵), малое напряжение смещения нуля (не более 0,5 мВ) и малый входной ток при низком или среднем быстродействии. Типичные примеры: 140УД26, ICL7652, ОРА227, МАХ430.

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания. Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы можно было найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием, некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока, а увеличение – к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, ОР22. Обычно ток потребления для микромощных и программируемых ОУ составляет десятки микроампер, а для такого образца, как МАХ406 – не более 1,2 мкА. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от ± 0,8 В до ± 18 В при токе потребления 15 мкА.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Так, ИМС 140УД20 имеет в корпусе два ОУ типа 140УД7. Микросхемы ОРА227/2227/4227 и МАХ406/407/418 (микромощные) включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания ± 15 В и допускают выходной ток до 20 мА. Этого недостаточно для управления некоторыми мощными нагрузками. Поэтому выпускаются ОУ, допускающие более высокие питающие (соответственно выходные) напряжения и большие выходные токи. К высоковольтным относят ОУ, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 В. К мощным принято относить усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА.

Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить модель LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94 с номинальным напряжением питания ± 200 В, выходным напряжением ± 170 В и выходным током до 14 А, а также сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2 кВт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима D, описанного в п. 1.5 настоящего пособия. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя SA08 фирмы Apex Microtechnology с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

В табл. 1.1 приведены основные параметры некоторых моделей ОУ.

Таблица 1.1 Основные параметры ОУ различных типов
Модель	Напряжение питания, В	Коэффициент усиления, В/мВ	Напряжение смещения, мВ	Входной ток, нА	fТ, МГц	v, В/мкс	Ток потребления, мА	Выходной ток, не менее, мА	Примечание
ОУ общего применения
140УД6	±5…±18					2,5
140УД7	±5…±18				0,8	0,7
LM324	±3…±16					0,25	1,5		4 ОУ в корпусе
140УД8	±5…±18			0,2					Полевые транзисторы на входе
544УД1	±5…±16,5			0,15			3,5
LF441	±5…±18			0. 1			0.25
Быстродействующие ОУ
544УД2	±5…±16,5			0,1					Полевые транзисторы на входе
574УД3	±5…±16,5			0,3			3,5
153УД4	±5…±17
LM118	±5…±20
ОР37	±4,5…±18		0,015
Прецизионные ОУ
140УД17А	±13,5…±16,5		0,025	2,5	0,25	0,1	4,5
140УД21	±12…±20		0,05			2,5
140УД26	±13,5…±16,5		0,03
MAX400	±3…±18		0,01		0,6	0,3
OP177	±3…±18		0,01	1,5	0,6	0,3	1,6
LMC6001	±3…±18		0,35	25×10-6	1,3	1,5	0,75		Сверхмалый входной ток
Микромощные ОУ
MAX438	±3…±5		0,5				0,075
MAX480	±0,8…±18		0,075		0,02	0,01	0,015
140УД12	±1,5…±18				0,2	0,8 0,1	0,2 0,03		При Iу=15 мкА При Iу=1,5 мкА
TLV2401	2,5…16		0,4	0,35	0,005	0,0025	0,001	0,2	Сверхмалый Iпот
Высоковольтные и мощные ОУ
1408УД1	±24…±30				0,5	1,5		0,2
LM12	±7,5…±30				0,7			10 А
PA89	±75…±600		0,5	0,01					Гибридный

Понятие идеального ОУ. В большинстве случаев при анализе схем, построенных на ОУ, пользуются понятием «идеальный операционный усилитель». Под этим подразумевается ОУ, обладающий следующими свойствами:

─ бесконечно большой коэффициент усиления дифференциального сигнала;

─ нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала;

─ бесконечно большое входное сопротивление;

─ бесконечно малое выходное сопротивление;

─ нулевое напряжение смещения нуля;

─ бесконечно широкая полоса пропускания.

Как видно из табл. 1.1, параметры современных ОУ весьма близки к идеальным. Отличие реальных параметров от идеальных учитывается, если необходимо определить погрешность преобразования сигнала.



Основные характеристики операционного усилителя

К основным характеристикам операционного усилителя относится амплитудная или передаточная характеристика (рис.17). Она отражает усилительные свойства ОУ – это зависимость выходного напряжения от входного, причем входное напряжение это дифференциальное напряжение, т. е. напряжение между входами ОУ

Рис.17. Амплитудная характеристика ОУ (1- неинвертирующее включение, 2- инвертирующее включение, 3 смещенная характеристика)

Амплитудная характеристика имеет линейный участок , на котором приращение выходного напряжения линейно зависит от приращения входного напряжения , а тангенс угла наклона характеристики определяет дифференциальный коэффициент усиления

.

За пределами участка ab усилитель находится в насыщении =0, напряжение на выходе принимает значение или близкие к напряжениям питания ОУ и соответственно. Реальная характеристика ОУ смещена относительно нуля на величину напряжения смещения нуля .

Частотные свойства отображаются амплитудно-частотной и фазовой характеристиками ОУ, которые описываются уравнениями:

,

и ,

где — коэффициент усиления ОУ на нулевой частоте;

— верхняя частота среза, по определению это такая частота,

на которой коэффициент усиления уменьшается в раз от

своего максимального значения.

Вид этих характеристик показан на рис.18.

Рис.18. Логарифмическая амплитудно-частотная (а)

и фазовая (b) характеристики ОУ

Амплитудно-частотная характеристика обычно строится в логарифмическом масштабе; коэффициент усиления представляется в децибелах (ЛАЧХ). Идеализированная ЛАЧХ состоит из асимптот: одна параллельна оси частот, вторая имеет наклон 20db на декаду. Ордината точки пересечения является частотой верхнего среза, в децибелах это соответствует -3 db; на такое значение идеализированная характеристика отличается от истиной характеристики.

Реакция усилителя на импульсное воздействие описывается переходной характеристикой – зависимостью мгновенного значения выходного напряжения от времени (рис.19).

Рис.19. Переходная характеристика ОУ.

По переходной характеристике можно определить параметр, характеризующий динамические свойства ОУ — это скорость нарастания выходного напряжения

.

На основе данных измерений можно построить эквивалентную схему, которая учитывает реальные параметры ОУ (рис.20).

Рис.20. Эквивалентная схема реального операционного усилителя

для малых сигналов.

Классификация ОУ

Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Это стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Uп, -Uп). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В…±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы, в качестве которых используются резисторы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.

В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:

Универсальные или ОУ общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1 %. Они характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения — единицы милливольт, температурный дрейф — десятки мкВ/°С, коэффициент усиления — десятки тысяч, частота единичного усиления ; скорость нарастания выходного напряжения — от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения <250 мкВ; температурный дрейф < 5 мкВ/°С; коэффициент усиления >200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции — демодуляции. Например, ОУ К140УД21, К140У24 и др.

Значительно лучшими характеристиками обладают ОУ с периодической компенсацией дрейфа нуля.

Мощные и высоковольтные ОУ — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток ≥100 мА, выходное напряжение ≥15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие ОУ. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления . Для таких ОУ обычно: ≥ 50 В/мкс, ≥1МГц.

Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.

Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УДЗ.

Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегом. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем.

Введение в идеальные характеристики схемы операционного усилителя

Введение

Операционный усилитель (сокращенно операционный усилитель) — это устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между входными/выходными клеммами или просто линейная интегральная схема (ИС), имеющая несколько выводов. В электронике коэффициент усиления по напряжению без обратной связи реального операционного усилителя очень велик, что можно увидеть в дифференциальном усилителе с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением. Кроме того, он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций. А между тем, его можно еще больше упростить до модели идеального операционного усилителя, называемой идеальным операционным усилителем (также называемой идеальный ОУ ).

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных схем применения операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель. Так называемый идеальный ОУ должен идеализировать различные технические показатели ОУ и должен обладать следующими характеристиками.

1.1 Бесконечное входное сопротивление

На вход идеального операционного усилителя не поступает ток. В электронике операционные усилители представляют собой устройства усиления напряжения. Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и на выходе, с гораздо большим коэффициентом усиления. Чтобы операционный усилитель мог принимать сигнал напряжения в качестве входного сигнала, сигнал напряжения должен быть пропущен через операционный усилитель. Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально закону Ома по формуле V=IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве. Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы на нем полностью падало напряжение. Если бы он имел низкий входной импеданс, напряжение на нем могло бы не падать, и он не принимал бы сигнал. Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко уменьшить входной импеданс (поставить резистор параллельно) или увеличить импеданс источника (поставить резистор последовательно).

Рисунок 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики

1.

2. Нулевой выходной импеданс

напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю. На практике нулевой выходной импеданс на самом деле отличается от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному импедансу приближались только с компромиссами в напряжении смещения и шуме.

1.3 Бесконечный коэффициент усиления без обратной связи

В состоянии без обратной связи дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечный коэффициент усиления по напряжению. Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней конфигурацией отрицательной обратной связи.

1.4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разницу между напряжениями на обоих концах V+ и V-. Кроме того, одна и та же часть двух входных сигналов (например, синфазный сигнал) будет полностью игнорироваться. Более того, высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен при наличии возможно большого синфазного входа, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI). Примером может служить передача звука по симметричной линии при звукоусилении или записи.

1.5 Бесконечная полоса пропускания

Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с одинаковым дифференциальным усилением, которое не изменится при изменении частоты сигнала.

2 Предположения об идеальном операционном усилителе

Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы. Исходя из этого, для идеального операционного усилителя, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Сначала предположим, что ток, поступающий на вход операционного усилителя, равен нулю. Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах меньше 1 пА. Но для сдвоенных быстродействующих ОУ это допущение не всегда верно, поскольку входной ток у него иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с входными требованиями. Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель насыщается. Может быть, эта гипотеза и существует, но нуждается в практических ограничениях. Например, на более высоких частотах вступают в действие внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты, минуя большую часть выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.

Рис. 2. Насыщение операционного усилителя

Например, согласно техническому описанию LM741, коэффициент усиления по напряжению большого сигнала составляет 200 В/мВ. Это означает, что прирост без обратной связи составляет 200 000. Если вы используете операционный усилитель в режиме разомкнутого контура (т. е. без отрицательной обратной связи), даже микровольт входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведет к насыщению выхода.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, которая значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т. е. коэффициент усиления с обратной связью). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Его выход всегда будет при насыщении либо положительном, либо отрицательном насыщении. В схеме интегратора коэффициент усиления по постоянному току должен быть ограничен добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору, иначе выходной сигнал будет насыщен.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и усиление по напряжению схемы должны быть сбалансированы так, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания. Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению 100 максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если напряжение VCC равно 15 Вольт. Если вы подаете сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в состояние насыщения, так как требуемое выходное напряжение будет 20 вольт, что превышает VCC 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть равен нулю. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю. Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к источнику жесткого напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал. Кроме того, поскольку ток, протекающий через входную клемму, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, конечно же, выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения благодаря своему выходному импедансу. При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых долей Ома, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение демонстрируют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрального ОУ; u+ и u- — напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе соответственно. Auo — увеличение дифференциального напряжения без обратной связи. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку дифференциальное увеличение напряжения без обратной связи идеального операционного усилителя равно бесконечности, а выходное напряжение имеет определенное значение, значения напряжения на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе примерно равны. Так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это фальшивка. Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальное короткое замыкание».
2) Нулевой входной ток
Поскольку входное сопротивление идеального операционного усилителя без обратной связи бесконечно, ни на одном из входов операционного усилителя ток не течет. В это время ток на неинвертирующем входе и на инвертирующем входе равен нулю. Вроде разъединение, но равноценное разъединение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв». Виртуальное короткое замыкание и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
На самом деле идеальный операционный усилитель имеет характеристики «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимым условием виртуального шорта является отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямой клемме немного выше, чем напряжение на обратной клемме, выходная клемма будет выдавать высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя. Фактически время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это процесс непрерывного изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменения обратного конца неизбежно повлияют на его напряжение, когда напряжение обратного конца бесконечно близко к напряжению переднего конца, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем и заднем концах всегда близко. (Примечание: метод анализа тот же, когда напряжение уменьшается.)

3.2 Работа в нелинейной области

Когда операционный усилитель работает в нелинейной области, выходное напряжение больше не увеличивается линейно с входным напряжением, а достигает насыщения. Идеальный операционный усилитель также имеет две важные характеристики при работе в нелинейной области.
1) Когда u+ ≠ u-, выходное напряжение идеального операционного усилителя достигает значения насыщения.
Когда u+ > u-, операционный усилитель работает в области положительного насыщения с положительным выходным напряжением.
Когда u+ < u-, операционный усилитель работает в области отрицательного насыщения с отрицательным выходным напряжением.
Идеальный операционный усилитель работает в нелинейной области, u+ ≠ u-, «виртуального короткого замыкания» нет.
2) Входной ток равен нулю.
Хотя входное напряжение u+ ≠ u- указано выше, входной ток считается равным нулю.

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

Что касается операционного усилителя, то, вероятно, существует такое описание: трехвыводной элемент (структура схемы с двусторонним входом, несимметричным выходом), идеальный транзистор, постоянный ток с высоким коэффициентом усиления. усилитель.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, подаваемый на входную клемму, близок к 0, ток источника сигнала почти не используется, что близко к характеристике управления напряжением. Отсюда и виртуальный перерыв.
(2) Более низкое выходное сопротивление
Обладает характеристиками адаптации к любой нагрузке. И импеданс последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме обратной связи (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено. Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительных и отрицательных источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится в одном крайнем положении или направляет выходное напряжение к одному источнику питания, скорее всего, оно не будет работать должным образом. Работа в режиме без обратной связи похожа на работу компаратора, а выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В режиме обратной связи (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм. Выходной каскад производит немедленную корректировку, когда они не равны. Таким образом, конечной целью усиления является уравнивание потенциалов двух входных клемм. И виртуальный шорт является производным от этого.

5 Предустановки сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Обычно требуется подходящее сопротивление, чтобы обеспечить согласование входного импеданса.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, синфазный резистор теоретически должен быть равен параллельному значению двух резисторов на обратном конце. На практике из-за замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, рассогласование на выходе неочевидно. И нет необходимости в фазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что сбалансированный резистор является отправной точкой для идеального операционного усилителя. Сопротивление заземления в фазе полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Входное сопротивление заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высоких частот.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласующее сопротивление увеличит ошибку.
5) Набор для тока смещения на входе, целью которого является выравнивание импеданса инвертирующего и неинвертирующего входов, чтобы два входа с одинаковыми токами смещения считались имеющими одинаковые падения напряжения, тем самым можно противодействовать сделанный.

5.2 Входной балансировочный резистор Объяснение

Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к балансному резистору, но заземляется напрямую.
Установите входной ток смещения для операционного усилителя IB (одинаковое напряжение на инвертирующем и неинвертирующем концах).
Ток, протекающий через R1 и Rf, представлен I1 и If.
Напряжение инвертирования V-, коэффициент усиления операционного усилителя A.
Используйте KCL на инвертирующем конце (установите входной сигнал на 0).
Где (0-V-)/R1- (A+1)V- /Rf=IB

Из приведенного выше уравнения следует, что V-=-(IB×R1×Rf/(Rf+(A +1)R1))

В это время выходное напряжение операционного усилителя составляет Vo=A×(IB×R1×Rf/(Rf+(A+1)R1))<

Выше формулу можно приблизительно представить как Vo=IB×((A×R1)/Rf)

Если синфазный вывод проходит через резистор R2 на землю и R2=R1/Rf, то напряжение на синфазном терминал V+=-IB×R2

KCL применяется к перевернутой клемме, где (0-V-)/R1+(A×(V+-V-)-V-)/Rf=IB

>At на этот раз выходное напряжение операционного усилителя Vo=0.

6 Уравнения идеального операционного усилителя

Понимание основных условий идеального операционного усилителя и его сочетание с методом напряжения узла по закону тока Кирхгофа (KCL) и теоремой суперпозиции узла является эффективным методом анализа идеального операционного усилителя. схема усилителя.
Как показано ниже, найдите выходное напряжение uo
1) Уравнение на основе KCL
Из концепции виртуального разрыва, i+=i-=0, тогда i1=i2, i3=i4, поэтому

(a)

На основе виртуального перерыва, u+=u-, тогда

(b)

2) Метод определения узлового напряжения
Перечислите уравнения узлового напряжения для узлов 1 и 2 и получите

(c)

Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен при 1) и 2), привести уравнение KCL или уравнение узлового напряжения на выходе ОУ не представляется возможным. Кроме того, выход операционного усилителя uo in 2) следует рассматривать как независимый источник напряжения.
3) Теорема суперпозиции
При наличии нескольких входных сигналов выбор теоремы суперпозиции для решения может упростить процесс анализа и расчета. Размер выходного сигнала uo можно рассматривать как суперпозицию выходного сигнала, полученного при независимом действии u1 и u2. Когда u1 действует один, клемма u2 заземлена, а выход операционного усилителя:

(d)

Следовательно, окончательный выход операционного усилителя:

(e)

7 Несколько общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал. Он обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

Рисунок 3. Схема неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
фазы по отношению к его входу на 180 градусов не по фазе по отношению к входному сигналу. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи на усилителе. 9Рис. 4. Схема инвертирующего усилителя Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рисунок 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой аналоговую схему с двумя входами и одним выходом, в которой выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями. Это очень полезная схема на операционном усилителе, и при добавлении дополнительных резисторов параллельно входным резисторам, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

Композитный усилитель
Композитный усилитель называется комбинацией нескольких операционных усилителей, соединенных каскадом с контуром отрицательной обратной связи по всей сети. Рис. 7. Композитный усилитель ОУ определяют их конкретные значения в цепях. Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучшую высокочастотную характеристику, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличив ток источника питания.

8 Разница между идеальным операционным усилителем и практическим операционным усилителем

Идеальные операционные усилители не потребляют энергии, имеют бесконечный входной импеданс, неограниченную полосу пропускания и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. Они имеют неограниченную совместимость по напряжению.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, имеют ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения. Соответствие напряжения ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Тем не менее практичные операционные усилители очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая двухвходовой усилитель, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения. Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A(v2−v1), независимо от того, какой ток будет потреблять нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходное сопротивление должно быть равно нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно больше, а выходное сопротивление должно быть как можно меньше.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать при нулевом токе.

9 Ссылка

Обзор основ электронных операционных усилителей
Обзор основ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные проблемы Анализ основ операционных усилителей

Операционный усилитель. 5 Характеристики операционного усилителя

29 ноября 2021 г. 29 ноября 2021 г. от shabbusharma

Содержание

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (OP-AMP) — это дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким входным сопротивлением. Он напрямую связан и использует отрицательную обратную связь. Он называется операционным усилителем , потому что он может выполнять математические операции, такие как вычитание, сложение, дифференцирование, интегрирование и т. д. Символическое представление операционного усилителя показано на рисунке 10.

При подаче сигнала на плюс вход (т.е. вход 1), а минус вход (т.е. вход 2) соединен с землей, мы получаем на выходе усиленный сигнал, который имеет ту же полярность, что и входного сигнала, как показано на рисунке 11 (а).

Поскольку полярность сигнала, подаваемого на плюсовой вход, не меняется, поэтому вход 1 или меньше известен как неинвертирующий вход .

При подаче сигнала на минус вход (т.е. вход 2), в то время как плюс вход заземлены, мы получаем усиленный сигнал на выходе, полярность которого прямо противоположна качеству входного сигнала, как показано на рисунке 11(b).

Поскольку полярность сигнала, подаваемого на минусовой вход, инвертируется, поэтому вход 2 или минусовой вход известен как инвертирующий вход .

Таким образом, символическое представление операционного усилителя показано на рисунке 12.

Двусторонний или дифференциальный вход

Сигнал также может подаваться между двумя входами операционного усилителя, как показано на рисунке 13. В этом случае ни один вход не заземлен, и мы получаем усиленный выходной сигнал. И входной, и выходной сигнал находятся в фазе.

Описанная выше операция подачи сигнала между двумя входами эквивалентна подаче двух отдельных сигналов на два входа, как показано на рис. 14. В этом случае результирующий входной сигнал представляет собой разницу между двумя входами.

То есть В _д =В ₁ -V ₂

 Поэтому двусторонний вход также известен как дифференциальный вход .

Синфазный режим работы операционного усилителя

Операционный усилитель работает в синфазном режиме, когда на оба входа подается один и тот же входной сигнал, как показано на рисунке 15. В идеальном операционном усилителе оба входных сигнала усиливаются одинаково.

Эти одинаково усиленные сигналы не совпадают по фазе, поэтому выходной сигнал не получается. Однако на практике получается небольшой выходной сигнал.

Подавление синфазного сигнала

Дифференциальный усилитель может усиливать выходные входные сигналы, которые не совпадают по фазе, и подавлять или подавлять общий сигнал на двух входах. Общий для обоих входов «шум» или нежелательный сигнал, возникающий из-за напряжений, наводимых магнитным полем в питающих проводах.

Дифференциальный усилитель ослабляет или подавляет шум или нежелательный сигнал, общий для обоих входов, и усиливает разностный сигнал, поступающий на входы. Эта рабочая особенность усилителя известна как отклонение общего режима .

Дифференциальные входы

Когда на оба входа операционного усилителя подается отдельный сигнал, результирующий входной сигнал представляет собой разницу между двумя входами. Этот результирующий сигнал известен как разностный сигнал .

 если V ₁ и V ₂ представляют собой два отдельных сигнала, то разностный сигнал задается

Общие входы

Если на оба входа операционного усилителя подаются одинаковые сигналы, то результирующий сигнал является среднее значение суммы двух сигналов. Этот результирующий сигнал также известен как общий сигнал .

Пусть V ₁ и V ₂ представляют собой два одинаковых сигнала, подаваемых на два входа, тогда общий сигнал представлен как

Выходное напряжение (V

_o )

может быть разностным сигналом или общим сигналом, поэтому выходное напряжение в целом может быть записано как

A _d известен как дифференциальный коэффициент усиления OP-AMP, а A _c представляет собой синфазный коэффициент усиления ОУ.

Случай 1. Если

Выходное напряжение,

Случай 2. Если

Выходное напряжение

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) коэффициент подавления мод (CMRR). Он определяется как отношение усиления дифференциального напряжения (A

_d ) к усилению синфазного напряжения (A _c ).

КОСС в децибелах (дБ) также может быть выражен как

Выход в терминах CMRR

Поскольку выходное напряжение В _o определяется (уравнение 3)

Используя уравнение. (6), мы получаем

Из уравнения. (8) видно, что если КОСС очень большой, то выходное напряжение будет

Таким образом, выходное напряжение будет обусловлено разностным сигналом при большом значении КОСС даже при обеих составляющих В _d и V _c существуют на входе.

Характеристики операционного усилителя (ОУ)

Характеристики идеального операционного усилителя:

1. Входное сопротивление бесконечно.
2. Выходное сопротивление равно нулю.
3. Коэффициент усиления по напряжению бесконечен.
4. Ширина полосы частот бесконечна.
5. Отсутствует дрейф характеристик в зависимости от температуры.
6. Идеальный баланс, т. е. выходное напряжение равно нулю, когда на обе входные клеммы подается одинаковое напряжение.

Операционный усилитель OP-AMP Введение, символы и характеристики

Содержание

Операционный усилитель OP-AMP:

Термин «операционный усилитель» обычно используется для усилителей с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления, чрезвычайно высоким входным сопротивлением и очень низким выходным сопротивлением. Это усилитель обратного напряжения отрицательного поля с прямой связью и дифференциальным входом (т. е. на его входе есть две входные клеммы, ни одна из которых не заземлена). Поскольку он напрямую связан (т. е. вдоль него не используются разделительные конденсаторы для блокировки постоянного тока), он может усиливать сигналы, частотный диапазон которых находится в диапазоне от 0 Гц до 1 МГц. Проще говоря, операционный усилитель представляет собой схему усилителя с высоким коэффициентом усиления, которая состоит из двух входных клемм с высоким импедансом и одной выходной клеммы с низким импедансом. Идентификация входов осуществляется через инвертирующие и неинвертирующие входы. Его основная схема состоит из входного каскада дифференциального усилителя и выходного каскада эмиттерного повторителя. Помните, что операционный усилитель — это, по сути, модифицированная форма дифференциального усилителя, в которой его специфические характеристики и производительность улучшены за счет включения дополнительных схем. Поскольку этот усилитель был разработан для выполнения математических операций в аналоговых компьютерах (т. е. сложения, вычитания, умножения, дифференцирования и интегрирования и т. д.), по этой причине он известен как операционный усилитель (или просто операционный усилитель). Другими словами, усилитель, выполняющий математические операции в аналоговых компьютерах, называется операционным усилителем. Этот усилитель широко используется во всех областях электроники, особенно в электронных системах управления.

В начале операционные усилители производились с помощью дискретных устройств (эти устройства были изготовлены из электронных ламп и работали на высоких напряжениях). Однако изобретение интегральных схем значительно упростило их изготовление. Операционный усилитель — это устройство, которое служит важным строительным блоком при разработке различных электронных схем. В наши дни такие схемы производятся вместе с различными внутренними устройствами линейных интегральных схем. Они очень надежны, дешевы и работают при относительно низком напряжении постоянного тока. Они могут успешно работать в диапазоне от 0 до 1 МГц. Фактически операционный усилитель не является дискретным или отдельным устройством. Скорее это такая сложная схема, которая состоит из нескольких компонентов (т.е. имеет около 20-25 устройств, а также транзистор, диод и резистор). ИС операционного усилителя может содержать 2 десятка транзисторов, один десяток резисторов и один или два конденсатора, однако практически считается единым устройством. Он используется в закрытом корпусе/оболочке, вдоль которого для пользователя предусмотрены только внешние соединения. Поскольку в настоящее время большинство операционных усилителей являются интегральными, изучение их входных и выходных характеристик очень важно.

Хотя операционный усилитель является своего рода законченным усилителем, тем не менее, он сконструирован таким образом, что внешние компоненты (резисторы, конденсаторы и т. д.) также могут быть подключены вместе с его клеммами, так что его внешние характеристики (например, коэффициент усиления по напряжению усилителя , входное и выходное сопротивление, частотная характеристика и т. д.) могут быть изменены. Таким образом, настроить такой усилитель для какой-либо конкретной цели относительно просто. И благодаря своей универсальности, его использование приобрело огромную популярность в отрасли.

Иногда выход операционного усилителя прямо или косвенно связан с любым из его входов, это называется обратной связью. Когда на операционный усилитель поступает обратная связь, мы говорим, что операционный усилитель работает в режиме обратной связи. Когда в таком усилителе не предусмотрена обратная связь, мы говорим, что он работает в режиме без обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению у такого усилителя максимальный.

Операционные усилители доступны в трех различных упаковках. я). Стандартный двухрядный пакет ii). К-5 случай iii). В разобранном виде. Они колоссально используются в аналоговых компьютерных операциях, контрольно-измерительных системах, фазовых сдвигах и схемах генераторов. Их различные типы идентифицируются по номерам, напечатанным на них, например. мкА709, LM108, LM208, CA741CT, CA741T и др. µA709 представляет собой операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления, изготовленный на одном кремниевом кристалле с использованием эпитаксиальной технологии. Это был наиболее широко используемый монолитный операционный усилитель, который был произведен компанией Fair Child semiconductor в 1965 году. Он используется в сервосистемах постоянного тока, аналоговых пригородных устройствах с высоким импедансом и уровневых приборах. Наиболее распространенными усилителями являются усилители числа 741. Это операционные усилители с высоким коэффициентом усиления, которые используются в качестве компараторов, интеграторов, дифференциаторов, усилителей постоянного тока, вибраторов и полосовых фильтров и т. д.

На рис. 8.23 ​​показана блок-схема операционного усилителя. Его первый каскад или входной каскад состоит из дифференциального усилителя, после которого для получения усиления установлено более одного каскада. Входной сигнал усиливается после достижения дифференциального усилителя (входное сопротивление этого усилителя очень высокое, а выходное сопротивление низкое). Этот усиленный сигнал поступает на промежуточный каскад операционного усилителя, где он преобразуется в коэффициент усиления по напряжению. Заключительный каскад операционного усилителя влечет за собой двухтактный усилитель эмиттерного повторителя класса B. Помимо низкого выходного импеданса, этот последний каскад также обеспечивает усиление по напряжению. Выход большинства операционных усилителей несимметричный (т. е. одна из выходных клемм заземлена), как показано на рисунке.

Рисунок 8.23 ​​– блок-схема операционного усилителя

Показана еще одна простая блок-схема операционного усилителя. Первый каскад состоит из дифференциального усилителя (который используется как входной усилитель). После дифференциального усилителя следуют 2 каскада ^и , которые состоят из преобразователя уровня (обычно имеет каскад с общим эмиттером, который также обеспечивает усиление по напряжению). Основная цель этого каскада — гарантировать, что выходное постоянное напряжение (когда оба входа заземлены) должно быть равно нулю. Однако обнулить выходное значение постоянного тока практически невозможно из-за различий в характеристиках разных устройств и резисторов (хотя разные резисторы и устройства изготавливаются на одних и тех же ИС). Например, если значение β одного устройства равно 100, другие будут равны 101. Для обнуления выходного постоянного напряжения на микросхемах операционного усилителя обычно предусмотрена регулировка нулевой точки. Третий или последний каскад операционного усилителя представляет собой усилительный каскад с общим коллектором (или эмиттерным повторителем), который, помимо обеспечения усиления по току, также поддерживает низкое выходное сопротивление операционного усилителя, как показано на блок-схеме. Поскольку входной каскад операционного усилителя содержит дифференциальный усилитель, поэтому входное сопротивление операционного усилителя чрезвычайно велико (особенно если дифференциальный усилитель работает на низком уровне напряжения). Из анализа популярных операционных усилителей 741 становится очевидным, что его входной каскад работает примерно на 90,5 мкА, тогда как источник питания постоянного тока 15 (т. е. V _EE = -15 и V _CC = +15). В такой ситуации его входное сопротивление чрезвычайно велико (примерно 2 МОм)

Рисунок 8.24 – блок-схема операционного усилителя показано на рис. 8.25. Операционный усилитель имеет как минимум 5 клемм, из которых две входные клеммы, одна выходная клемма и две клеммы смещения источника питания. Названия этих терминалов также были написаны на символе, как показано на рисунке.

1). Инвертирующий входной терминал

2). Неинвертирующий входной терминал

3). Выходной терминал (несимметричный)

4). Клемма питания положительного смещения

5). Клемма питания отрицательного смещения

В некоторых символах клеммы положительного и отрицательного смещения кажутся расположенными рядом, в то время как в других они кажутся с одной стороны, как видно из символа треугольного типа, показанного на рисунке. Обычно это стандартные символы операционного усилителя, в которых невозможны никакие изменения, за исключением того, что отрицательный и положительный входы иногда меняются местами (то есть отрицательный вход делается выше, а положительный вход иногда ниже). Иногда плюсовая клемма вообще не выявляется и предполагается, что она связана с землей.

Рисунок 8.26, 8.27 – обозначение операционного усилителя с указанием наиболее важных выводов

Вход операционного усилителя может быть однотактным или двухтактным (двухтактный вход называется дифференциальным входом). Односторонний и двусторонний дифференциальный зависит от того, будут ли входные напряжения подаваться на одну входную клемму или на обе входные клеммы. Точно так же усилители могут быть односторонними или двусторонними. Наиболее распространенная конфигурация операционного усилителя состоит из двух входных клемм и несимметричной выходной клеммы (или одной выходной клеммы).

Символ операционного усилителя, показанный на рисунке, показывает, что инвертирующий вход вместе с отрицательной входной клеммой и неинвертирующий вход вдоль положительной клеммы были отмечены гербом. Это просто означает, что сигнал, поступающий на отрицательную входную клемму, будет приниматься в усиленной форме на выходе; однако фаза этого сигнала на выходной клемме будет инвертирована. Точно так же сигнал, поступающий на положительную входную клемму, будет получен в усиленной форме на выходе, однако его фаза не будет инвертирована (т. е. входной сигнал и выходной сигнал будут синфазными или одинаковыми). Таким образом, отрицательная и положительная полярность показывает только обращение фазы. Это вовсе не означает, что отрицательное напряжение всегда должно подаваться на отрицательную или инвертирующую входную клемму, а положительное напряжение — на неинвертирующую или положительную входную клемму. Следует также иметь в виду, что все входные и выходные напряжения выражаются через общую опорную точку (обычно заземление).

На рис. 8.27 проиллюстрирован другой стандартный символ операционного усилителя, в котором инвертирующий вход (т.е. отрицательный знак) выполнен вместо нижнего конца, тогда как неинвертирующий вход (т.е. положительный знак) на диаграмме нарисована низкая, а не высокая сторона (полностью противоположная знакам, указанным выше). Далее входной сигнал обозначается טi. В большинстве приложений один из входов усилителя заземлен. В такой ситуации, если входной сигнал подается на неинвертирующую (положительную) клемму, выходной сигнал усилителя становится синфазным с ט ₀ ввод. Если входной сигнал подается на инвертирующую входную клемму (отрицательная клемма), ט ₀ выходит из фазы по отношению к входу. Это поясняется таблицей, приведенной на рисунке.

Рисунок 8.27 символ операционного усилителя, показывающий инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы

Идеальный операционный усилитель

Мы знаем, что операционный усилитель — это усилитель с прямой связью, который имеет два (дифференциальных) входа и один выход. Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики.

1). Его усиление без обратной связи стремится к бесконечности, т. е. A _÷ =∞

2). Его входное сопротивление или полное сопротивление (которое измеряется между инвертирующей и неинвертирующей клеммами) бесконечно (т. е. R _i = Z _i =∞)

3). Его выходной импеданс или сопротивление равно нулю (т. е. Z _O = Z _O = 0)

4). Он имеет бесконечную полосу пропускания (т.е. BW=∞)

Вышеупомянутые характеристики идеального операционного усилителя показаны на рисунке 8.28

Рисунок 8. 28 – представление идеального операционного усилителя

Хотя все вышеперечисленные характеристики практически не существуют одновременно ни в одном усилителе, тем не менее, рассматривая идеальный усилитель в качестве эталона, реальный усилитель может быть спроектирован почти как более близкий к нему, и характеристики реального усилителя можно оценить относительно характеристик идеального усилителя. Также необходимо помнить о следующих моментах идеального усилителя.

1). Бесконечное входное сопротивление или импеданс означает, что значение входного тока равно нулю (I = 0), а это означает, что идеальный операционный усилитель является устройством, управляемым напряжением.

2). Нулевое выходное сопротивление или импеданс означает, что V _или не зависит от сопротивления нагрузки, параллельной выходу.

3). Хотя коэффициент усиления идеального операционного усилителя считался бесконечным (A _v = ∞), на практике его значение чрезвычайно велико (около 10 ⁶ ). Однако это не означает, что сигнал в один вольт усиливается и становится равным 10 ⁶ на выходе. Фактически, максимальное значение V _o ограничено напряжением питания смещения (отличное значение которого составляет (±15 В). Если V _o = 15 В и A _v = 10 ^{6 ,} , максимальное значение входного напряжения ограничивается 15 мкВ (т. е. /15/10 ⁶ = 15 мкВ). Таким образом, один вольт не может стать миллионом на операционном усилителе, однако 1 мкВ обязательно усиливается до 1 В. Помните, что большое количество современных усилителей имеют возможность чрезвычайно высокого коэффициента усиления и входного импеданса при чрезвычайно низком выходном импедансе.

Практический операционный усилитель

Операционный усилитель с чрезвычайно высоким, но не бесконечным усилением напряжения, чрезвычайно высоким входным сопротивлением и чрезвычайно низким выходным сопротивлением называется практическим операционным усилителем. На рис. 8.29 показан реальный операционный усилитель. Другими словами, операционный усилитель, состоящий из чрезвычайно высокого коэффициента усиления по напряжению, чрезвычайно высокого импеданса и чрезвычайно низкого выходного импеданса, известен как практический операционный усилитель. Главное в таком усилителе не бесконечность и не бесконечность, а его входное сопротивление равно бесконечности, а выходное сопротивление равно нулю. Его усиление по напряжению, входное сопротивление и выходное сопротивление должны иметь какое-то значение.

Рисунок 8.29 – практическое представление операционного усилителя

Поскольку каждое устройство имеет какие-то ограничения и никогда не обладает характеристиками, подобными идеальному усилителю, точно так же существуют ограничения и у интегрированного операционного усилителя, и невозможно достичь характеристик идеального усилитель через него. В операционном усилителе существуют ограничения по току, а также по напряжению, например. его пиковое выходное напряжение сравнительно меньше обоих напряжений питания, а его выходной ток также ограничен из-за внутренних препятствий или запретов (например, из-за потребляемой мощности и номинальных характеристик компонентов). Хотя характеристики современных операционных усилителей на интегральных схемах во многих отношениях идеальны, такой практический усилитель нельзя ни назвать идеальным, ни превратить в идеальное устройство.

Основные характеристики операционного усилителя

Символ базового операционного усилителя имеет несколько треугольную форму и обычно имеет не менее пяти стандартных разъемов или клемм (как видно из формы символа на рис. 8.25). Часто для операционных усилителей требуется биполярное питание (т. е. питание с отрицательным и положительным смещением). Заземление косвенно связано с устройством через внешние входные и выходные цепи. У устройств, которые могут работать от одного источника питания, их соединения питания с отрицательным смещением меняются через соединение с землей. Выход операционного усилителя берется из вершины его треугольных символов. Оба входа соединены с основанием, изготовленным на противоположной стороне от выхода треугольников. Помните, что полярность выхода всегда похожа на полярность неинвертирующего входа и всегда обратна полярности инвертирующего входа (т. е. если полярность инвертирования положительна по отношению к полярности неинвертирования, в такой ситуации полярность выхода отрицательна по отношению к земле. Однако, если полярность неинвертирующего входа положительна по отношению к инвертирующему входу, в этом случае полярность выхода положительна по отношению к земле)

Где находится заземление

Никакой вход операционного усилителя не соединен с землей (как пояснено из его определения, описанного выше). Таким образом, ни один из выводов операционного усилителя не работает в качестве заземления. Тогда где наша опорная точка в такой ситуации? Ответ на этот вопрос становится ясен из рисунка 8.30, где показаны все напряжения на клеммах операционного усилителя. Описано следующим образом:

Напряжение на положительном входе операционных усилителей относительно земли = e ₁

Напряжение на отрицательном входе операционных усилителей относительно земли =e ₂

Напряжение на выходной клемме относительно земли = e _out

Напряжение на положительной клемме питания относительно земли заземление = +V ₁

Напряжение на отрицательной клемме питания по отношению к земле = -V ₂

Рис. 8.30 Земля — это общая клемма отрицательного и положительного источников смещения. В большинстве принципиальных схем общая земля не показана, но предполагается, что она находится на общей клемме источников питания 9.0009

отсутствует фигура

 

 

Поскольку фигура, показанная на диаграмме (А), является сложной и запутанной, поэтому возникают трудности с отражением ее на схеме. Таким образом, фигура выражена простым образом, как и фигура (В), на которой не показана земля. Однако всегда предполагается, что заземление присутствует на общей клемме отрицательного и положительного питания. Таким образом, напряжения выражаются или предполагаются относительно этой невидимой земли на разных клеммах операционных усилителей. Помните, что для упрощения условного обозначения операционного усилителя на его условном обозначении на большом количестве схем не показаны клеммы питания.

Значения источника смещения

В большинстве усилителей используются симметричные положительные и отрицательные напряжения питания (т. е. значения обоих источников питания симметричны). Наиболее распространенными источниками напряжения являются вольты. Благодаря применению источников отрицательного и положительного смещения выходные напряжения операционных усилителей постоянно колеблются между положительным и отрицательным относительно земли. Некоторые усилители снабжены питанием только с одной полярностью (например, 0–30 В), которое подается на клеммы питания. В такой ситуации e _из полярность остается в соответствии с полярностью питания.

Входные и выходные характеристики

Операционный усилитель является дифференциальным усилителем, что означает, что он усиливает разность напряжений на двух входных клеммах . Его выходное напряжение можно выразить следующим уравнением:

E _out = A _VOL (e ₁ –e ₂ )

Здесь e ₁ и e ₂ — это напряжения на положительных и отрицательных входных клеммах, тогда как A _VOL означает коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи (т. е. коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя без какой-либо внешней обратной связи). Член (e ₁ – e ₂ ) показывает разницу напряжений на входных клеммах. Часто эта разность напряжений также выражается как дифференциальный вход e _d , как показано на рис. 8.31, т. е.

Рис.0263 1 и e ₂

Следует помнить, что когда значение e ₁ превышает e2 (т. e ₁ меньше, чем e ₂ , (т.е. e ₁ 2 ), ed будет отрицательным. Следует также иметь в виду, что операционный усилитель усиливает разность между e ₁ и e ₂ , а не усиливает ее сам. Приведенное выше уравнение eout также может быть выражено как

e _out =A _VOL e _d

Современные операционные усилители имеют экстремальные значения (1000-100000) коэффициента усиления по напряжению без обратной связи (A _VOL ). Контурное усиление операционного усилителя 741 составляет 100 000. Следует помнить, что дифференциальное напряжение A _VOL создает e _из за счет усиления через e _d . Когда операционный усилитель используется в режиме обратной связи, эта операция происходит и в этой ситуации. В результате вышеизложенного становятся ясными следующие важные моменты:

и). Когда значение e _d положительное, положительная входная клемма операционного усилителя положительна по отношению к его отрицательной входной клемме, а e _out положительна.

ii). Когда значение e _d отрицательное, положительная входная клемма операционного усилителя является отрицательной по отношению к его отрицательной входной клемме. В такой ситуации e _из будет отрицательным.

iii). Когда положительная клемма заземлена (т. е. e ₂ =0) при подаче напряжения на отрицательную клемму полярность выхода становится обратной по отношению к полярности входа. Вот почему отрицательный ввод часто называют инвертирующим вводом.

iv). Когда отрицательная клемма заземлена (т. е. e ₂ = 0), при подаче напряжения на положительную клемму полярность выхода и входа одинакова. Вот почему положительный вход часто называют неинвертирующим входом.

об.). Когда значения e1 и e2 взаимно равны (т. е. e ₁ = e ₂ ), выход равен нулю.

Насыщение выходного напряжения

Максимальная амплитуда выходного напряжения (высота изменяющейся величины называется амплитудой) операционного усилителя может быть ограничена (ограничена) величиной напряжения питания, подаваемого на клеммы смещения операционных усилителей. Удельное значение максимальной амплитуды обычно составляет менее 1,5 В по сравнению с напряжением питания смещения. Например, если значение напряжения питания смещения равно, то амплитуда eвых может быть ограничена до 13,5, что изображается на графике между e _из и e _d , как показано на рис. 8.32.

На рис. 8.32 отсутствует

Здесь значение напряжения усиления без обратной связи операционного усилителя указано равным 10 000.

График показывает, что e _из изменяются линейно вплоть до очень небольшого диапазона e _d (т. е. они изменяются вместе). Когда значение e _d превышает определенный предел, e _out насыщается до 13,5 вольт или 13,5 вольт. Такое насыщение на полярности е _д. Значение ed, при котором происходит насыщение, определяется по следующей формуле:

e _d = +13,5 В/А _VOL = /10000= 1,35 мВ

любой полярности параллельно входным клеммам. Коэффициент усиления без обратной связи в большинстве операционных усилителей даже превышает 100 000. Насыщение достигается путем подачи всего 35 мкВ любой полярности этого значения на дифференциальный вход усиления без обратной связи. Это означает, что из-за очень незначительной разницы в напряжениях, подаваемых на вход операционных усилителей, он будет работать в своем линейном диапазоне. Однако дифференциал e _d поддерживается очень низким для линейных операторов в ряде операционных усилителей за счет использования отрицательной обратной связи в его цепи. Помните, что когда операционный усилитель находится в своем линейном диапазоне (т. е. не насыщается), значение e _d очень низкое. Вот в такой ситуации напряжения, обнаруженные параллельно входным клеммам, считаются нулевыми.

Таким образом, характеристики операционного усилителя следующие:

1). Это усилитель постоянного тока

2). Коэффициент усиления по напряжению (в идеальной ситуации) очень высок

3). Его входное сопротивление очень велико (в типичной ситуации)

4). Его выходное сопротивление очень низкое (в идеальном случае)

5). Когда на его входе ноль вольт, его выход также равен нулю.

6). Его выходной сигнал может изменяться как между крайне положительными, так и отрицательными значениями напряжения, т.е. он колеблется между положительным и отрицательным.

7). Его коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) чрезвычайно высок (это означает, что он достаточно эффективно подавляет неприятные шумы и фоновые сигналы)

8). Он работает с несимметричным выходом и дифференциальными входами (хотя входы в основном заземлены)

9). Если операционный усилитель работает от двойного источника питания (VCC и VFF), он может усиливать обе половины входного сигнала переменного тока. Конкретные значения двойного источника питания: 15 В

10). Его выходная полярность всегда аналогична неинвертирующей входной полярности и всегда обратна инвертирующей входной полярности.

Эквивалентная схема операционного усилителя

Операционный усилитель также может быть обнаружен с помощью обычной эквивалентной схемы, как и все другие усилители напряжения. На рисунке 8.33 показана эквивалентная схема, параллельная операционному усилителю. Входная сторона показана через импеданс Z _в (или сопротивление R _в ), который является дифференциальным входом (или сопротивлением) операционного усилителя, то есть сопротивлением или импедансом между входными клеммами. Выходная сторона отражена через зависимый источник, амплитуда которого A _VOL x e _d (или A _OL (V ₁ -V ₂ )) и выходное сопротивление Z _out (или выходное сопротивление R _out ) Эта эквивалентная схема приемлема только в линейная область. Помните, что значения входного сопротивления или импеданса операционного усилителя обычно очень высоки (10 Ом – 1 МОм). Входное сопротивление всех популярных операционных усилителей 741 составляет до 2 МОм, а значение его выходного сопротивления обычно находится в диапазоне от 50 Ом до 200 МОм,

, что очень мало по сравнению с его входным сопротивлением. (Удельное выходное значение операционного усилителя 741 составляет до 75 Ом). Однако при использовании операционного усилителя с отрицательной обратной связью его эффективное выходное сопротивление уменьшается с 1 Ом. В такой ситуации этот усилитель управляет максимальными нагрузками с минимальными потерями амплитуды.

Рисунок 8.33 (a) Эквивалентная схема операционного усилителя

Удельное значение максимального выходного тока операционного усилителя находится в диапазоне от 5 мА до 25 мА. Относительно небольшой выходной ток не считается недостатком, потому что в некоторых приложениях операционных усилителей его выход продолжает управлять какой-то другой рабочей схемой наряду с его высоким входным сопротивлением. Когда требуется управлять сильноточной нагрузкой, для усиления выходного тока операционного усилителя применяется сильноточный транзистор.

Метод работы обычного операционного усилителя

Операционный усилитель в основном представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления с прямой связью, посредством обратной связи которого контролируются его характеристики коллективного отклика. В интегральном виде законченная схема усилителя собрана на небольшой кремниевой микросхеме и заключена в капсулу. Штифты вставляются в подходящие места усилителя, выступающие из капсулы. Для использования усилителей эти контакты должным образом подогнаны вместе с другими внешними компонентами, таким образом, от операционного усилителя поступает определенный ответ.

Операционный усилитель состоит из нескольких каскадов, объединенных в каскад. Каждый каскад усилителя продолжает обеспечивать некоторые восхитительные или приятные характеристики законченной схемы и благодаря этим специфическим характеристикам; операционный усилитель можно отличить от обычного усилителя.

На рис. 8.34 показана блок-схема конкретного операционного усилителя. Операционный усилитель обычно представляет собой набор из трех каскадов (как показано на рисунке). Каждая стадия обладает некоторыми качественными характеристиками (т.е. каждая стадия имеет определенные особенности)

Рисунок 8.34

Входной каскад операционного усилителя состоит из дифференциального усилителя, который дает операционному усилителю ряд преимуществ, т. е. сильное подавление синфазного сигнала, дифференциальные входы, частотную характеристику постоянного тока и т. д. Кроме того, во входном каскаде также применяются некоторые специальные приемы для повышения входного импеданса входного каскада (другими словами, на входном каскаде операционного усилителя установлен дифференциальный усилитель, благодаря которому синфазные сигналы при работе Усилитель подходит к концу.Дифференциальные входы принимаются и частотная характеристика становится очень низкой частоты или точного постоянного тока. Кроме того, используются специальные методы для обеспечения высокого импеданса входного каскада)

Второй каскад содержит усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления. Этот каскад представляет собой набор транзисторов, которые обычно сконфигурированы как пары Дарлингтона. Коэффициент усиления этого конкретного типа операционного усилителя составляет около 200 000 или даже выше. Таким образом, этап генерирует основную долю прибыли.

Третий каскад состоит из выходного усилителя. Этот каскад обычно имеет комплементарную форму эмиттерного повторителя. Каскад обеспечивает низкое выходное сопротивление операционного усилителя, в результате чего операционный усилитель обеспечивает ток в несколько миллиампер на нагрузку.

Операционный усилитель снабжен двойным источником питания (т. е. как [положительным, так и отрицательным типом питания), из-за которого выходные напряжения иногда бывают положительными или отрицательными по отношению к земле (т. е. колеблются между положительным и отрицательным ).

Принципиальная схема законченного операционного усилителя показана на рис. 8.35. В этой схеме также отдельно показаны три ступени. В этой схеме вообще не использовались конденсаторы связи; в основном использовались транзисторы. Этот операционный усилитель может усиливать сигналы постоянного тока наряду с сигналами переменного тока. Две клеммы т.е. 1-5 на блок-схеме операционного усилителя таковы, что на схеме они не выявлены. Их имя «смещение нуля». Внешний потенциометр подключается к цепи через клеммы. Потенциометр настроен таким образом, что когда оба входа операционного усилителя равны нулю, выход операционного усилителя также становится точно равным нулю. На клеммах сделан положительный (+ive) и отрицательный (-ive) знак. Отрицательный вход называется инвертирующим входом, тогда как положительный вход известен как неинвертирующий вход.

Один из входов операционного усилителя заземлен для использования в качестве усилителя. Сигнал, который должен быть усилен, подается на другой вход. Если положительный вход заземлен, а сигнал подается на отрицательный вход, то в такой ситуации выход инвертируется на вход, однако принимается в усиленном виде. Напротив, если отрицательный вход заземлен, а сигналы и сигналы подаются на положительный вход, сигнал усиливается, но не инвертируется на вход (т. е. принимается неинвертированный, но усиленный выходной сигнал). Обе входные клеммы подключены непосредственно к Q ₁ и база Q ₂ .

Рисунок 8.35

Следует помнить, что в операционном усилителе нет базового резистора. Точно так же постоянный ток отталкивается обратно к земле через внешнюю цепь. Обычно это не считается проблемой, так как постоянный ток заземляется через источник сигнала. Однако в некоторых ситуациях связь также осуществляется в разных каскадах через конденсаторы. С этой целью добавляется резистор для обеспечения пути отвода к постоянному току. Стандартный символ операционного усилителя напоминает треугольник, как показано на рис.