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

Содержание

Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности?

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, Uxi→Ux1, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Uxi→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, Uxi = Ux1, Vi=V1;

  2. G1 = U2, Uxi = 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.

Передаточная характеристика операционного усилителя: расчет, формула, схема

Пример HTML-страницы

Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика — зависимость вида u вых= f (u диф), где f − некоторая функция. Изобразим график этой зависимости (рис. 1.139) для операционного усилителя К140УД1Б (это один из первых отечественных операционных усилителей).

Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат. У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно.

Значение напряжения uдиф, при котором выполняется условие uвых= 0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через Uсм. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно только то, что напряжение Uсм лежит в диапазоне от −10 мВ до +10 мВ.

А это означает, что при нулевом напряжении uдиф напряжение uвых может лежать в пределах от минимально возможного (около −7 В) до максимально возможного (около +10 В).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для того чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). В некоторых операционных усилителях (в том числе и типа К140УД1Б) не предусмотрены специальные выводы, воздействуя на которые можно было бы компенсировать напряжение смещения.

В этом случае на входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сигнала, нужно подавать напряжение, компенсирующее напряжение смещения. В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Изобразим типовую схему включения операционного усилителя типа К140УД8А, в котором предусмотрены такие выводы (рис. 1.140).

Через NC обозначены специальные выводы для балансировки. Цифрами обозначены номера выводов.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме uвых=K·uдиф, где K— коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала).

Обычно величина K лежит в пределах 104 … 105. К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б К = 1350…12000, для операционного усилителя К140УД14А K не менее 50000.

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения. Обычно считается, что в режиме насыщения выполняется условие uвых= +Uпит −3В(при uдиф> 0) или uвых= −Uпит +3В( при uдиф< 0) где +Uпит и −Uпит — напряжения питания. В приближенных расчетах иногда считают, что в режиме насыщения uвых= +Uпит или uвых= −Uпит

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Реальные электронные устройства на основе операционного усилителя практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше K, так как в них используется отрицательная обратная связь. Пример схемы с отрицательной обратной связью приведен на рис. 1.134.

Легко заметить, что чем больше коэффициент K при заданных напряжениях +Uпит и −Uпит, тем меньше тот диапазон значений напряжения  u диф, который соответствует режиму усиления. Так, если K = 50000 и +Uпит = |−Uпит | = 15 В, то величина |uдиф| не может превышать значения 15 / 50000 = 300 · 10−6 В = 300 мкВ. Если наперед известно, что операционный усилитель работает в режиме усиления, то при практических расчетах обычно принимают, что uдиф= 0.

Устойчивость операционного усилителя

Как мы рассматривали, операционный усилитель практически всегда охватывается цепями отрицательной обратной связи, которая и формирует необходимые свойства схемы. Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот. Системы такого рода, имеющие большой коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости, проявляющейся в том, что даже при отсутствии сигнала на входе системы, на ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам.


Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам. ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: КАК РАБОТАЕТ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

УСТОЙЧИВОСТЬ ОУ


Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей ОУ — от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав. Я оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг его можно назвать также задержкой в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Здесь главным источником проблем становится выходное сопротивление операционного усилителя с разомкнутой обратной связью Ro , которое на самом деле не является резистором в буквальном смысле этого слова.

Это эквивалентное сопротивление, зависящее от внутренней схемы ОУ. Невозможно изменить его без изменения самого операционного усилителя. Пусть C L — емкость нагрузки. При работе с такой емкостью вы автоматически получаете полюс, определяемый значениями R o и C L.

Это хорошо видно на рисунке Существующие решения этой проблемы основаны на одном и том же принципе — они замедляют работу усилителя. Представьте: контур имеет фиксированную задержку, определяемую R o и C L. Хорошим способом замедления работы ОУ является увеличение коэффициента усиления.

Более высокий коэффициент усиления уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром. На рисунке 33 показано, как OPA работает с той же емкостной нагрузкой 1 нФ, но с коэффициентом усиления Реакция на ступенчатое изменение значительно улучшилась, но по-прежнему остается посредственной. Если увеличить коэффициент усиления до 25 и более — можно получить еще более достойный результат. Использование ОУ в схеме с коэффициентом усиления 10 уменьшает полосу пропускания усилителя с замкнутым контуром, однако улучшения не кардинальны.

Есть еще один хитрый трюк. На рисунке 34 по-прежнему представлена схема с коэффициентом усиления 10, но с дополнительным конденсатором C c , который еще больше замедляет работу ОУ, направляя ее в правильное русло. Если величина C c окажется недостаточной — реакция схемы будет похожа на рисунок При слишком большой емкости C c можно столкнуться с неприятностями, показанными на рисунке Использование той же схемы и дополнительного конденсатора Cc 12 пФ, включенного параллельно с резистором обратной связи, позволяет добиться идеального отклика.

Получение оптимальной компенсации — это задача, которую можно решить с помощью анализа Боде. Конечно, в преодолении обозначенных проблем серьезно поможет интуиция, однако для перехода на качественно новый уровень при расчете цепей компенсации без господина Боде не обойтись. Оригинал статьи. В середине г. С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также Главная Меню клиента Публикации Каталог Компания Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой 15 декабря телекоммуникации системы безопасности учёт ресурсов управление питанием медицина потребительская электроника ответственные применения лабораторные приборы интернет вещей Texas Instruments статья интегральные микросхемы средства разработки и материалы.

Наши информационные каналы. Новости Статьи Вебинары Все записи. OPA TI.


Характеристики операционных усилителей

ОУ обычно используется с цепями ООС, однако при некоторых условиях, из-за дополнительных фазовых сдвигов частотных составляющих сигнала, ООС может превратится в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку ООС очень глубокая? Ранее на рисунке 6. Такой усилитель устойчив при любой глубине ООС.

К ТИОУ относятся ОУ с токовой обратной связью. получения наибольшей полосы пропускания с сохранением устойчивости схемы.

Вы точно человек?

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей ОУ — от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав. Я оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг его можно назвать также задержкой в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Здесь главным источником проблем становится выходное сопротивление операционного усилителя с разомкнутой обратной связью Ro , которое на самом деле не является резистором в буквальном смысле этого слова. Это эквивалентное сопротивление, зависящее от внутренней схемы ОУ. Невозможно изменить его без изменения самого операционного усилителя. Пусть C L — емкость нагрузки. При работе с такой емкостью вы автоматически получаете полюс, определяемый значениями R o и C L. Это хорошо видно на рисунке

время установления выходного напряжения (операционного усилителя)

Исследование устойчивости и характеристик усилителей с обратной связью, работающих в линейном режиме. В усилителях с обратной связью сигнал на входе зависит от усиленного сигнала. Эта зависимость обусловлена наличием четырёхполюсника, передающего часть энергии усиленного сигнала с выхода на вход Рис. Комплексный коэффициент передачи этого четырёхполюсника.

Операционный усилитель — универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике. Операционные усилители были разработаны как усовершенствованные балансные схемы усиления.

Лекция 9. Устойчивость работы схем с оу. Частотная коррекция

Состояние отпатрулирована. Частота сигнала полной мощности ОУ ТОС обычно совпадает с его частотой среза для малого сигнала и превосходит аналогичный показатель классического ОУ. Высокие показатели быстродействия достигаются асимметрией и схемотехнической простотой входного каскада и, как следствие, низкой точностью [4]. ОУ ТОС применяются преимущественно для усиления и фильтрации сигналов в широкополосных устройствах на частотах выше МГц [5] [6] : в радиолокации , видеотехнике , в системах кабельной и оптоволоконной связи и цифровой обработки высокочастотных сигналов. Основные схемы включения ОУ ТОС топологически совпадают со схемами включения классического ОУ, реализация других типовых схем затруднена или вовсе невозможна.

Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 11-20

Однако, несмотря на колоссальный технологический прогресс в области производства интегральных микросхем ИМС , сделать ОУ с параметрами, близкими к идеальным, не представляется возможным. В связи с этим разработчики микросхем вынуждены идти на компромисс, отдавая предпочтение в каждом конкретном случае нескольким ключевым параметрам. Как следствие, выпускаемые интегральные ОУ подразделяются на классы, ориентированные на применение в определенных устройствах. В статье на примере приобретающих популярность в России интегральных операционных усилителей и компараторов фирмы STMicroelectronics показано, как, используя техническую документацию datasheet , подобрать определенный тип операционного усилителя для решения поставленной задачи. Все они строятся на основе типовой схемы, изображенной на рис.

Операцио́нный усили́тель с то́ковой обра́тной свя́зью (ОУ с ТОС, ОУ ТОС), реже таким образом, чтобы гарантировать устойчивость усилителя при.

Операционные усилители — проблема выбора

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей ОУ. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. Представляем вашему вниманию очередные главы из него. Программы SPICE-моделирования являются полезным инструментом, помогающим обнаруживать потенциальные проблемы с устойчивостью схем усилителей.

1.8. Частотная характеристика ОУ и её коррекция

На устойчивость работы схемы с ОУ может оказывать влияние как неправильный выбор номиналов элементов обратной связи, так и паразитные параметры самого ОУ. Если первую причину можно проанализировать и устранить на стадии проектирования схемы, то во втором случае часто приходится использовать экспериментальные исследования. Рассмотрим основные причины возникновения самовозбуждения, например, на схеме неинвертирующего усилителя. В области низких частот коэффициент усиления — величина постоянная и практически нет дополнительного фазового сдвига между входным и выходным сигналами схем. С увеличением частоты входного сигнала уменьшается величина петлевого усиления за счет уменьшения K u и появляется дополнительный фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом. Существует некоторая частота входного сигнала, которую называют f , на которой дополнительный фазовый сдвиг между входными сигналами достигает 0.

Рубрика: Коммуникации и связь. Скачать файл: referat.

Сравнив статистику посещения сайта за два месяца ноябрь и декабрь года , в MediaTek выяснили, что число посетителей ресурса из России увеличилось в 10 раз, а из Украины? Таким образом, доля русскоговорящих разработчиков с аккаунтами на labs. Амбициозная цель компании MediaTek — сформировать сообщество разработчиков гаджетов из специалистов по всему миру и помочь им реализовать свои идеи в готовые прототипы. Уже сейчас для этого есть все возможности, от мини-сообществ, в которых можно посмотреть чужие проекты до прямых контактов с настоящими производителями электроники. Начать проектировать гаджеты может любой талантливый разработчик — порог входа очень низкий.

Новая тема Правила Регистрация Статистика Архив. Трамп оценивал устойчивость операционных усилителей, анализируя, каким образом фазовый сдвиг его можно назвать также задержкой в цепи обратной связи приводит к возникновению колебаний. Ответы Развернуть.


Схемотехника и характеристики операционных усилителей — Студопедия

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 Uвх.д = Uвх1Uвх2 , а его выходным сигналом является разность Uвых = Uвых1Uвых2 . 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 Iг /2 и не изменяются.

В реальном ДУ из-за разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока Iг при подаче входного синфазного напряжения Uвх.с = Uвх1 = Uвх2 возникает выходное напряжение Uвых.с ≠ 0. Отношение Ку.с = Uвых.с /Uвх.с называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. В справочной литературе способность ОУ подавлять синфазный сигнал характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала Кос.с = Ку.ду.с .

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

(1.2)

где Iк0 – обратный ток перехода эмиттер-база;

Uбэ– прямое падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора;

jТ = kT/e0 – 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 φТ ≈ 25 мВ при 20˚С.

Таким образом, для транзисторов дифференциального усилителя

Величина Iк0 неизвестна, однако можно найти отношение

Решая это уравнение совместно с равенством I1 + I2 = IГ, 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) Uвых = I2R2I1R1, получаем с учетом R1 = R2: Ку.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 = Smax при Uвх.д = 0. Тогда

и

Как следует из выражения для Ку.д.max, увеличения коэффициента усиления можно достичь, увеличивая IГ 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 Uбэ 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 h21э 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 fср и частота единичного усиления fт. 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 fp. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале (Uвх.д >> 50 мВ для ОУ на биполярных транзисторах и Uвх.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 Rн1 = Rвых1||Rвx2, где Rвых1 = rк2||rк4 – выходное сопротивление ДУ; Rвх2 = h21э(rэ5 + h21эrэ6) – входное сопротивление промежуточного усилителя. Здесь rк – сопротивление обратно-смещенного перехода коллектор-база соответствующего транзистора; rэ – сопротивление открытого перехода эмиттер-база; h21э – дифференциальный коэффициент усиления транзистора по току. Коэффициент усиления промежуточного усилителя равен произведению его крутизны S2 на сопротивление его нагрузки h21эRн, где Rн – сопротивление нагрузки на выходе ОУ.

Типичными для массовых ОУ среднего уровня являются следующие значения: rк = 1 МОм, I1 = 10 мкА, I2 = 300 мкА, h21э = 100, Rн = 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 Uсм. В ДУ на биполярных транзисторах величина Uсм определяется в основном разбросом напряжений база-эмиттер входных транзисторов, в ДУ на полевых транзисторах – разбросом напряжений затвор-исток. Значение Uсм 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 Rк.

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 = Iвх1Rвн1Iвх2 Rвн2 (рис. 1.5). Величина ΔU действует на входе ОУ как ложный дифференциальный сигнал.

Входные токи.В ДУ на биполярных транзисторах Iвх = I1/h21э. При типичных значениях I1 = 10мкА и h21Э = 100 получаем Iвх = 0,1 мкА. Температурный дрейф входных токов определяется в основном температурным дрейфом коэффициента усиления по току h21э, так как ток генератора IГ 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 Ку(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 Cк. Для этого в корпусе ОУ предусмотрены специальные выводы FC (см. рис. 1.3). Во многих современных ОУ корректирующий конденсатор выполняют встроенным.

Величина Cк 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 Cк является нагрузкой ДУ. Следовательно, на частотах, превышающих частоту полюса,

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

Если на вход ОУ подан дифференциальный прямоугольный сигнал Uп , полностью переключающий ток Iг = 2I1 из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Минимальное значение Uп зависит от типа входных транзисторов ДУ. Например, в ОУ на рис 1.3 отношение токов в плечах ДУ равно 9 при Uп = 50 мВ, а при Uп = 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 Ск током 2I1, ее значение для массовых ОУ обычно не превышает 1 – 2 В/мкс.

Важной динамической характеристикой ОУ является мощностная полоса пропускания fp – частота, до которой сохраняется максимальный (обычно ± 10 В) размах выходного напряжения ОУ. Если выходной сигнал синусоидален, то Uвых(t) = Umsin2πft, и его максимальная скорость нарастания v = dUвых(t)/dt при t = 0 составляет Umf. Отсюда при Um = 10 В и v = 1 В/мкс получаем fp ≈ 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: KU = (20–200)∙103; Uсм = 0,1–20 мВ; fт = 0,1–10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fт = 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.

Операционные усилители — проблема выбора

Большинство современных интегральных ОУ выполняются по схеме прямого усиления с дифференциальными входами и рассчитаны на симметричное двуполярное или однополярное питание. Кроме двух входов, выхода и выводов питания, ОУ может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока) и др.

В идеальном случае ОУ должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот и отсутствие шумов. Параметры ОУ не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя.

Реальные ОУ имеют характеристики, отличающиеся от идеальных, что является поводом для их классификации по областям и особенностям применения. Реальный ОУ — это компромисс различных требований с достижением наилучших свойств по одному или нескольким параметрам, каковыми могут быть минимизация напряжения смещения и входных токов, достижение максимальной полосы усиливаемых частот и скорости нарастания выходного напряжения, уменьшение потребляемого тока и питающего напряжения и др. Параметры ОУ можно разделить на несколько групп — входные, выходные, усилительные, частотные, энергетические, шумовые и др. [1].

Наряду с эксплуатационными параметрами, определяющими номинальный температурный режим работы ОУ, параметры входных и выходных цепей и требования к источникам питания, весьма важными являются предельно допустимые (Absolute Maximum Ratings, AMR) значения ряда параметров, превышение которых может привести к выходу микросхемы из строя. Ниже приведена сложившаяся в настоящее время классификация ОУ по сочетанию различных параметров, отражающая их предпочтительное использование в том или ином классе устройств.

Также выпускаются операционные усилители, параметры которых специально оптимизированы для применения в аппаратуре определенного назначения — медицинской, автомобильной, в звуковых устройствах и т. д. Отметим, что параметры ОУ в значительной степени определяются их схемотехникой и используемой полупроводниковой технологией — на биполярных транзисторах (bipolar), полевых транзисторах с p-n-переходом (JFET), комплементарных МОП-структурах (CMOS) и сочетанием на одном кристалле комплементарных пар биполярных и полевых транзисторов (BICMOS).

  1. Усилители общего применения: коэффициент усиления — до 100 дБ, напряжение смещения — более 1 мВ, частота единичного усиления — до 10 МГц.
  2. Маломощные: ток потребления — менее 3,5 мА.
  3. Микромощные: ток потребления — менее 50 мкА.
  4. Низковольтные: напряжение питания — менее 3 В.
  5. Прецизионные: коэффициент усиления — более 100 дБ, напряжение смещения — менее 1 мВ.
  6. Быстродействующие: частота единичного усиления — более 50 МГц.
  7. Малошумящие: напряжение шумов — менее 10 нВ/√Гц.
  8. Мощные: выходной ток — более 100 мА.
  9. С выходным/входным напряжением, близким к напряжению питания.

Это разделение, по понятным причинам, не является строгим: ОУ может быть одновременно низковольтным, быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания, и т. п. Кроме того, ОУ одного типа выпускаются в различных корпусах, по два, три или четыре усилителя в одном корпусе (многоканальные), а также в исполнениях, предназначенных для использования в определенном классе устройств: для общего применения (C), для промышленного применения (I, E) и для специального, читай — военного применения (M). Они отличаются по ряду параметров, в частности по диапазону рабочих температур:

  • C — 0…+70 °C;
  • I— -40…+85 °C;
  • E— -40…+ 125 °C;
  • М— -55…+ 125 °C.

Отметим также, что при разработке современных операционных усилителей, как и других интегральных микросхем, наблюдается тенденция к уменьшению габаритов и все большему использованию корпусов для поверхностного монтажа. Широко распространенные ранее корпуса DIP и TSSOP заменяются на значительно меньшие SOT-23, DFN, QFN и др.

Устройства на операционных усилителях можно условно разделить на два класса: линейные — собственно различные усилители, в том числе и измерительные, аналоговые вычислительные схемы, преобразователи импеданса, активные фильтры и т. п., и нелинейные — аналоговые компараторы, умножители напряжения, логарифмирующие усилители, прецизионные выпрямители, генераторы сигналов и др. При этом в зависимости от класса устройств и конкретной задачи определяющими при выборе типа микросхемы будут те или иные группы параметров, упомянутые в начале статьи.

В любом случае максимально (минимально) возможные значения напряжения и тока, действующих в разрабатываемом устройстве, не должны выходить за пределы соответствующих параметров используемого операционного усилителя. Это, прежде всего, напряжение питания Vcc, а также синфазное Vicm и дифференциальное Vid входные напряжения. Как правило, современные ОУ имеют встроенную защиту от превышения максимального значения выходного тока, в связи с чем в документации приводится минимально допустимое значение сопротивления нагрузки RL и ток короткого замыкания выхода на общий провод питания Io.

В экстремальных условиях эксплуатации становятся важными диапазон рабочих температур Toper, максимальная температура перехода Tj, превышение которой в длительных режимах эксплуатации не допускается в принципе, так как при этом полупроводниковый p-n-переход теряет свои свойства, и тепловое сопротивление переход — окружающая среда Rthja, измеряемое в °С/Вт и характеризующее степень теплоотдачи от полупроводникового кристалла микросхемы в окружающую среду.

В процессе монтажа и эксплуатации полупроводниковых приборов возникает проблема защиты ИМС от электростатического напряжения (Electrostatic Discharge, ESD). При наличии в ОУ схемы внутренней защиты от ESD нормируется его максимально допустимая величина в различных конфигурациях, обычно в пределах 2 кВ.

В классе линейных устройств наиболее распространены и востребованы различные масштабные усилители постоянного и переменного тока со сравнительно небольшим (единицы-десятки) коэффициентом усиления по напряжению. Все они строятся на основе типовой схемы, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Типовая схема масштабного усилителя на ОУ

В зависимости от выбора внешних элементов и способа подключения входного сигнала усилитель может быть неинвертирующим, инвертирующим, дифференциальным или буферным повторителем. В последнем случае (V1 — общий провод, V2 = Uвх, ZG и Z2 отсутствуют, Z1 = ZF = 0) входное сопротивление определяется исключительно параметрами самого операционного усилителя. Рассмотрим это на примере широко распространенного четырехканального ОУ LM2902, выполненного по биполярной технологии, и TS27M4 — CMOS ОУ, специально предназначенного для применения в схемах с большим входным сопротивлением. При прочих сравнительно схожих параметрах, приведенных в таблице, типовое значение входного тока Iib, определяющее входное сопротивление усилителя, составляет 20 нА для ОУ LM2902 и всего 1 пА для TS27M4. В то же время следует отметить, что разброс величин входного тока и его температурная зависимость для ОУ, выполненных по технологии CMOS, обычно заметно больше, чем у аналогичных ОУ на биполярных транзисторах.

 

Таблица. Основные параметры операционных усилителей STMicroelectronics

 
Тип Корпус Диапазон температур Напряжение питания (размах) Vcc, В Потребляемый ток на один канал Icc, мА Выходной ток Icc, мA Входной ток Iib, пA Напряжение смещения Vio, мкВ Температурный дрейф напряжения смещения ΔVio, мкВ/°С Коэффициент усиления Av, дБ Коэффициент ослабления синфазного сигнала CMR, дБ Коэффициент подавления нестабильности напряжения питания SMR, дБ Синфазное входное напряжение Vin, В Частота единичного усиления. Fu, МГц Скорость нарастания выходного напряжения SR, В/мкс Спектральная плотность шума en, нВ/√Гц Примечание
min max max max тип. тип. тип. тип. тип. тип. min max тип. тип. тип.
LM2902/4 DIP, SO, TSSOP, QFN E 3 33 0,35 40 20000 2000 7 100 80 110 -Vcc-0,3 +Vcc-1 1,3 4 40 Стандартный биполярный
TS27M2/4* DIP, SO, TSSOP E 3 18 0,15 30 0,001 1000 2 94 80 80 -Vcc-0,3 +Vcc 1,0 0,6 38 Стандартный CMOS
TS512/4 DIP, SO I, E 6 36 0,50 24 50000 500 2 100 90 -Vcc +Vcc 3 1,5 10 Прецизионный биполярный
TSV731/2/4 MiniSO, DFN, QFN, TSSOP E 1,5 5,5 0,06 10 0,001 50 0,5 105 94 90 -Vcc-0,2 +Vcc+0,2 0,9 0 35 Прецизионный CMOS
TSZ121/2/4 SOT23, DFN, QFN, MiniSO E 1,8 5,5 0,028 8 0,5 1 0,01 135 122 -Vcc-0,2 +Vcc+0,2 0,3 0,2 40 Ультрапрецизионный Zero Drift
TS971/2/4 SOT23, SO, DFN E 2,7 10 2 100 200 1000 5 80 85 70 -Vcc-0,3 +Vcc+0,3 12 4 4 Ультрамалые шумы и искажения
TSX921 SOT23 E 4 16 3 21 0,01 5000** 2 110 80 -Vcc-0,2 +Vcc+0,2 9 17 15 CMOS RRIO
TSX9291 SOT23 E 4 16 2,9 21 0,01 5000** 2 110 80 -Vcc-0,2 +Vcc+0,2 15 27 15 То же, нескорректированный
TSH81/2/4 SOT23, SO, TSSOP I 4,4 12 8,2 55 6000 1100 3 84 97 75 -Vcc +Vcc-1 65 105 11 VFA, RRO, THD = 0,1%
TSh450 SOT23, SO I 4,5 5,5 4,1 200 12/1*** 1000 0,9 270**** 60 80 -Vcc+1,5 +Vcc-1,5 550 940 1,5 CFA, THD = 0,1%
TSC101/A/B/C SOT23 E 4 24 0,3 26 5000 700 3 26/34/40 105 105 -0,3 60 0,5 0,9 Токоизмерительный
TSC103 SO, TSSOP E 2,7 5,5 0,3 26 10000 1000** 5 26-40 рег. 105 95 2,9 70 0,7 0,6 40 То же, с низковольтным питанием
TS881/2/4 MiniSO, DFN, QFN, TSSOP E 1,1 5,5 0,0003 1,5 0,001 1000 3 78 80 -Vcc-0,2 +Vcc+0,2 5,0***** RRI микромощный компаратор
TS331/2/4 MiniSO, DFN, QFN, TSSOP E 1,6 5,5 0,022 22 25 500 4,5 75 79 -Vcc-0,3 +Vcc+0,3 0,21***** RRI-компаратор
TS3011 SOT23, SC70 E 2,2 5,5 0,5 62 0,001 400 10 75 79 -Vcc-0,3 +Vcc+0,3 0 01***** RRI скоростной компаратор

Примечания. * Выпускается в трех модификациях, отличающихся токопотреблением и частотными параметрами. ** Максимальное значение. *** Неинвертирующий/инвертирующий, мкА. **** Трансимпеданс, кОм. ***** Время переключения, мкс.

 

Когда необходимо выделить и усилить слабый сигнал на фоне сильных помех, применяют дифференциальные (разностные) усилители (V1, V2 — входной сигнал, ZG = Z1, ZF = Z2). В идеальном операционном усилителе при выполнении этих условий помеха создает на входах ОУ синфазные сигналы равной величины, которые успешно подавляются. В реальных условиях выбор ОУ для дифференциальных усилителей требует учета нескольких параметров, а именно величины напряжения смещения Vio, его температурного дрейфа ΔVio, коэффициентов подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio, CMR) и ослабления влияния источника питания (Supply Voltage Rejection Ratio, SVR). Для примера рассмотрим соответствующие параметры для четырехканального ОУ TS514, позиционируемого фирмой как прецизионный вариант упомянутого выше ОУ LM2902. Очевидно, применение ОУ TS514 в схемах, где необходимо подавление синфазных сигналов, будет более эффективным, чем использование стандартных операционных усилителей.

При тензометрических измерениях для обеспечения высокой точности ОУ должен эффективно подавлять синфазные помехи и, кроме того, иметь высокое входное сопротивление, необходимое для согласования усилителя с высокоомными тензодатчиками. В этом случае применяются прецизионные усилители на полевых транзисторах, например TSV711/2/4 и TSV731/2/4 (последняя цифра в обозначении соответствует числу усилителей в одном корпусе), выполненные по технологии CMOS, с типовым значением входного тока и напряжения смещения 1 пА и 50 мкВ соответственно. Следует иметь в виду, что в таблице приведены усредненные параметры ОУ, в то время как в фирменной технической документации, как правило, подробно указываются условия их определения (напряжение питания, температура, входные сигналы, сопротивление нагрузки и пр.).

Новейшие операционные усилители STMicroelectronics TSZ121/2/4 с входным и выходным напряжением, близким к напряжению питания RRIO (Rail to Rail Input/Output), с автоматической компенсацией дрейфа нуля благодаря весьма малому значению напряжения смещения 1 мкВ и его температурного дрейфа 10 нВ/°С получили название «усилители с нулевым дрейфом». Эти усилители относятся к группе микромощных (ток потребления — 28 мкА) и отличаются от аналогичных изделий других производителей большим диапазоном усиливаемых частот (частота единичного усиления Fu = 300 кГц). На рис. 2 приведены графики распределения величин напряжения смещения ОУ TSZ121/2/4 и зависимость напряжения смещения от температуры при напряжении питания 5 В и синфазном входном напряжении 2,5 В.

Рис. 2. Распределение величин напряжения смещения (а) и зависимость напряжения смещения от температуры (б) ОУ TSZ121/2/4 при напряжении питания 5 В и синфазном входном напряжении 2,5 В

Рассмотрим ситуацию, когда минимизация напряжения смещения может иметь решающее значение. Требуется спроектировать масштабный усилитель с коэффициентом усиления К = 10 для подачи сигнала на вход 12-разрядного АЦП с максимальным входным напряжением 4 В. Разрешение АЦП составляет 4/212 ≈ 1 мВ. Если применить в усилителе ранее рассмотренный прецизионный ОУ TSV7344 с максимальным значением напряжения смещения Vio = 500 мкВ, ошибка, обусловленная сдвигом нуля, составит 5 мВ, или более пяти единиц младшего разряда АЦП, что совершенно неприемлемо. В то же время использование в этом усилителе ОУ TSZ121/2/4 с максимальным значением Vio = 5 мкВ дает сдвиг нуля не более 50 мкВ, что значительно меньше разрешения АЦП.

При разработке усилителей слабых сигналов, а также усилителей для аудиотехники становятся значимыми шумовые и динамические параметры ОУ — en, спектральная плотность напряжения шума, приведенного к входу, измеряемая в нВ/√Гц; суммарный коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion, THD), измеряемый в процентах; скорость нарастания выходного напряжения (Slue Rate, SR) — В/мкс и частота единичного усиления Fu. (Используют также произведение коэффициента усиления на полосу пропускания — Gain Bandwidth Product (GBP)). Последние два параметра являются определяющими для высокочастотных усилителей, выбор ОУ для которых будет подробно рассмотрен далее.

Оптимальные параметры для построения предварительных каскадов усилителей для аудиотехники сочетает операционный усилитель TS971/2/4, отличающийся очень малыми уровнями шума (en = 4 нВ/√Гц) и нелинейных искажений (THD = 0,003%). Зависимость спектральной плотности шумов и коэффициента нелинейных искажений от частоты для ОУ TS971/2/4 при напряжении питания 5 В приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость спектральной плотности шумов (а) и коэффициента нелинейных искажений от частоты (б) ОУ TS971/2/4 при напряжении питания 5 В

Устойчивость работы схем на операционных усилителях с отрицательной обратной связью и, в частности, отсутствие паразитного самовозбуждения в широком диапазоне частот и коэффициентов усиления вплоть до единичного обычно обеспечивается встроенной в ОУ схемой полной частотной коррекции АЧХ со спадом 20 дБ на декаду. При этом произведение коэффициента усиления на полосу пропускания усилителя GBP будет постоянной величиной, в результате чего при больших коэффициентах усиления диапазон усиливаемых частот неизбежно сужается. Расширить полосу частот усилителя на ОУ при больших коэффициентах усиления можно путем применения операционных усилителей с внешней коррекцией, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики скорректированного и нескорректированного операционного усилителя

Последние разработки STMicroelectronics — семейства ОУ TSX5, TSX6 и TSX9 — включают как скорректированные, так и нескорректированные операционные усилители, предназначенные для применения в широком классе устройств, работающих в диапазоне частот до 20 МГц. Скорректированный ОУ TSX921 с Railto-Rail входом и выходом отличается низким уровнем шумов и нелинейных искажений в полосе частот 10 МГц. Его нескорректированная версия ОУ TSX9291 устойчиво работает при коэффициентах усиления больше +2 на частоте до 15 МГц.

Для усиления и обработки видеосигналов высокой четкости, а также для высокоскоростных линий связи и т. п. требуются быстродействующие операционные усилители со специфическими параметрами. Расчет показывает, что если для усилителя телевизионного видеосигнала с разрешением 640×480 и кадровой частотой 50 Гц необходима скорость нарастания выходного напряжения и частота единичного усиления 105 В/мкс и 25 МГц соответственно, то при разрешении 1600×1200 и частоте кадров 85 Гц эти параметры составляют уже 950 В/мкс и 240 МГц.

В последнее время в схемотехнике быстродействующих ОУ определились два направления. Первое из них — это операционные усилители с обратной связью по напряжению (Voltage Feedback Amplifier, VFA), построенные по традиционной структурной схеме, изображенной на рис. 5а. Она включает входной усилитель с дифференциальным входом, имеющий гигантское входное сопротивление и, соответственно, малые входные токи как неинвертирующего (+), так и инвертирующего (-) входа. Основной передаточный параметр этого ОУ — коэффициент усиления по напряжению:

где Vo — выходное напряжение; Vd — дифференциальное входное напряжение.

Рис. 5. Структурные схемы операционных усилителей: а) с обратной связью по напряжению VFA; б) с токовой обратной связью CFA

Второе направление в схемотехнике быстродействующих ОУ — усилитель с токовой обратной связью (Current Feedback Amplifier, CFA) [3]. Структурная схема ОУ CFA приведена на рис. 5б и состоит из буферного усилителя 1 с единичным коэффициентом усиления и выходным током In с большим входным и малым выходным сопротивлением, включенного между неинвертирующим и инвертирующим входами, и преобразователя «ток → напряжение» с коэффициентом передачи Z = Vo/In, имеющим размерность сопротивления и называемым трансимпеданс, в связи с чем такие ОУ называют трансимпедансными.

При включении трансимпедансных ОУ с отрицательной обратной связью по схеме неинвертирующего усилителя (на рис. 1: V1 — общий провод, V2 = Uвx; Z1 = 0; Z2 отсутствует) через инвертирующий вход ОУ протекает ток ошибки In, пропорциональный входному напряжению на неинвертирующем входе. Через резистор обратной связи ZF, соединяющий выход усилителя и инвертирующий вход, происходит компенсация тока ошибки с тем, чтобы результирующий ток через инвертирующий вход стремился к нулю. Таким образом, в трансимпедансных ОУ, так же как и в обычных, отрицательная обратная связь компенсирует погрешность усилителя: для обычного ОУ это дифференциальное напряжение между входами Vd, а для трансимпедансного — ток ошибки In.

Главное отличие усилителей CFA по сравнению с усилителями VFA состоит в том, что подбором в определенных пределах сопротивлений резисторов обратной связи ZG и ZF можно получить, как показано на рис. 6, весьма широкую полосу усиливаемых частот, практически не зависящую от коэффициента усиления. Таким образом, усилители с ООС на ОУ CFA при одинаковом коэффициенте усиления по напряжению получаются более широкополосными, чем усилители на ОУ VFA.

Рис. 6. АЧХ усилителей при разных коэффициентах усиления по напряжению на ОУ: а) VFA; б) CFA

Сравним параметры типовых высокоскоростных операционных усилителей STMicroelectronics VFA TSH81/2/4 и CFA TSh450 (таблица). Видно, что ОУ TSh450 по скорости нарастания выходного напряжения и полосе усиливаемых частот удовлетворяет требованиям к усилителям видеосигналов высокой четкости и может быть с успехом использован в современной видеотехнике. Оба операционных усилителя оптимизированы для работы с сопротивлением нагрузки 150 Ом и отличаются чрезвычайно малыми уровнями шумов и нелинейных искажений.

Широкое распространение светодиодных источников света потребовало от разработчиков создания эффективных источников питания с токовым выходом, одним из основных элементов которых являются резистивные датчики тока. Существуют два основных метода включения резистивных датчиков — в цепь общего провода или в высокопотенциальную цепь. В первом случае датчик включается между нагрузкой и отрицательным выводом источника питания, во втором — между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществом первого является возможность использования для усиления сигнала датчика обычных прецизионных ОУ, однако из-за того, что включение датчика в цепь общего «земляного» провода вызывает появление напряжения между «землей» самого устройства и общим «земляным» проводником, в измеряемый сигнал вносятся значительные шумы, и точность измерений получается весьма низкой [4].

Измерения по второму методу отвечают требованиям точности и безопасности, но при этом необходимы специализированные операционные усилители, отличающиеся большим значением максимально допустимого синфазного напряжения при минимальном напряжении смещения и его дрейфа и возможностью работы при низком однополярном напряжении питания. Параметры ОУ STMicroelectronics для усиления сигналов датчиков тока приведены в таблице. Усилители работают без отрицательной обратной связи и имеют фиксированный коэффициент усиления (для TSC101 — три значения для модификаций A/B/C соответственно, для TSC103 — регулируемый путем подачи управляющих напряжений на специальные выводы SEL1 и SEL2). Типовая схема включения ОУ TSC103 с однополярным питанием приведена на рис. 7. Следует отметить, что этот усилитель может работать и при двуполярном напряжении питания ±5 В в диапазоне синфазных входных напряжений от -2,1 до +65 В.

Рис. 7. Схема измерения тока при включении резистивного датчика в высокопотенциальную цепь использованием специализированного ОУ TSC103

Еще один распространенный тип специализированных ОУ — аналоговые компараторы. По сути, это высококачественные быстродействующие операционные усилители с логическим выходом, выполненным по двухтактной схеме на биполярных или полевых транзисторах либо по схеме с открытым коллектором (ОК) или открытым стоком (ОС). Компараторы, так же как и обычные ОУ, подразделяются на ИМС общего применения, микро- и маломощные, скоростные и т. д. Большинство компараторов рассчитаны на работу с однополярным питанием и легко сопрягаются с цифровыми устройствами ТТЛ и КМОП. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения — временной интервал от момента подачи входного напряжения до момента, когда напряжение на выходе компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения зависит от дифференциального входного напряжения и состоит из двух частей — времени задержки и времени нарастания (спада) напряжения на логическом выходе.

Важно понимать характерные особенности компараторов по сравнению с обычными операционными усилителями [1]:

  • В схемах с компараторами почти никогда не используют отрицательную обратную связь из-за неизбежного самовозбуждения устройства.
  • Значения напряжения на входах компаратора различаются.
  • Входное сопротивление компаратора относительно невелико и зависит от уровней входных сигналов.
  • Выходное сопротивление компаратора сравнительно велико и зависит от уровней выходного напряжения.

Компараторы нашли широкое применение в схемах детекторов нуля, различных генераторах сигналов, аналого-цифровых преобразователях, схемах широтно-импульсных модуляторов и т. п. В списке продукции компании STMicroelectronics есть несколько десятков компараторов различных типов, параметры некоторых из них приведены в таблице.

На рис. 8 представлена схема устройства контроля температуры на сдвоенном компараторе TS332. В качестве термочувствительного элемента используется микромощный трехвыводный термодатчик STLM20 производства STMicroelectronics. Резисторы задают параметры температурного «окна», выходы компараторов с открытым коллектором соединены по схеме «монтажное ИЛИ», выходное напряжение подается на схему управления нагревателем.

Широкая номенклатура и невысокая стоимость интегральных операционных усилителей и компараторов STMicroelectronics делают их весьма привлекательными для разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте [5].

Рис. 8. Схема контроля температуры на сдвоенном компараторе TS332

Литература
  1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: «Додэка-XXI», 2005.
  2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех. М.: «Додэка-XXI», 2011.
  3. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor // Chip News — Инженерная микроэлектроника. 2003. № 10.
  4. Блэк Б. Усилители датчиков тока для разных приложений // Электронные компоненты. 2011. № 2.
  5. www.st.com

Образцы новых операционных усилителей от Texas Instruments

15 августа 2011

На склад Компэл поступили образцы новых операционных усилителей от Texas Instruments. Предлагаемые ОУ объеденены одной общей чертой — они имеют малое энергопотребление в своём классе и могут использоваться в прецизионных измерительных системах (OPAx330, OPAx333, OPAx378), в приложениях с широким диапазоном входного/выходного напряжения и питающим напряжением до 36В (OPAx140, OPAx141, OPAx171, OPAx209), в малошумящих сигнальных трактах (OPAx320, OPAx376, OPA x378) и в приложениях, требующих использования широкополосных ОУ (OPAx835/OPAx836).

Использование представленных ОУ в датчиках с низким энергопотреблением позволяет обеспечить хорошее соотношение между основными характеристиками системы (напряжения питания, полоса пропускания, уровень шума по входу) и током потребления.

Основные характеристики

Vcc min, В Vcc max, В Icc, мкА GBW, кГц Скорость нарастания, В/мкс Vos, макс, мкВ Температурный дрейф, макс, мкВ/С Входной ток, макс, пА, Шум по входу нВ/√Гц CMRR, дБ, тип
OPAx330 1.8 5.5 35 350 0.1 50 0.25 500 [email protected]кГц 115
OPAx333 1.8 5.5 25 350 0.16 10 0.05 200 [email protected]кГц 130
OPAx378 2.2 5.5 150 900 0.4 50 0.25 550 [email protected]кГц 112
OPAx376 2.2 5.5 950 5500 2 25 1 10 [email protected]кГц 90
OPAx377 2.2 5.5 1000 5500 2 1000 2 10 [email protected]кГц 90
OPAx320 1.8 5.5 1600 20000 10 150 5 0.9 [email protected]кГц 114
OPAx140 4.5 36 2000 11000 20 120 1 10 [email protected]кГц 140
OPAx141 4.5 36 2300 10000 20 3500 10 20 [email protected]кГц 126
OPAx209 4.5 36 2500 18000 6.4 150 3 4500 [email protected]кГц 130
OPAx171 2.7 36 595 3000 1.5 1800 2 15 [email protected]кГц 104
OPAх835 2.5 5.5 350 56000 160 1040 9 400 [email protected]кГц 113
OPAх836 2.5 5.5 1200 205000 560 765 6.1 1550 [email protected]кГц 116

Представленные ОУ можно разделить на следующие категории:

  • Малошумящие ОУ с  компенсацией напряжения смещения (Zero-Drift) (OPAx330, OPAx333, OPAx378) : благодаря сочетанию автокоррекции нуля и  КМОП-технологии, данные усилители позволяют получить хорошую точность измерений при малом токе потребления
  • Малошумящие ОУ с широким диапазоном напряжением питания (OPAx140, OPAx141, OPAx171, OPAx209): малый уровень шума и широкий диапазон напряжений питания (до 36В) в сочетании с rail-to-rail выходным сигналом и разнообразием корпусов  позволяют использовать данные ОУ в  промышленных  датчиках
  • Малошумящие широкополосные прецизионные ОУ (OPAx320, OPAx376, OPA x378): сочетание  шумовых характеристик (< 8,5нВ/√Гц) на входе с полосой пропускания и наличие фильтров на входе позволяют использовать их в широкополосных системах обработки данных и беспроводной передачи данных
  • Широкополосные малопотребляющие ОУ (OPAx835/OPAx836): Широкая полоса (>56МГц) при малом токе потребления  позволяют использовать их в малопотребляющих  системах как предусилители для ΔΣ АЦП. Имеющийся вариант корпуса с интегрированными резисторами  позволяет уменьшить количество используемых компонентов и уменьшить необходимое посадочное место.

Вспомогательное ПО:

  • TI FilterPro — расчет активных фильтров
  • TinaTI — программа для Spice-моделирования

•••

Наши информационные каналы

Введение в характеристики идеальных схем операционных усилителей

Введение

Операционный усилитель (сокращенно операционный усилитель) представляет собой устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между входными и выходными клеммами, или представляет собой просто линейную интегральную схему (ИС), имеющую несколько клемм. 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 называемым идеальным операционным усилителем ).

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных прикладных схем 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

Входная клемма идеального операционного усилителя не пропускает 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).

Рис. 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики

1.2 Нулевой выходной импеданс

Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, как бы ни изменялся ток, текущий на нагрузку усилителя, выходное 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 Бесконечное усиление без обратной связи

В разомкнутом состоянии 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 пропускная способность

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. А вот 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 микровольты 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 коэффициент увеличения дифференциального напряжения без обратной связи идеального операционного усилителя равен 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, ток не протекает через операционный усилитель ни на одном из входов. 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 описание, наверное, такое: трехвыводной элемент (структура схемы с двухтактным входом, однотактным выходом), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, поступающий 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 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Обычно требуется подходящее сопротивление, чтобы обеспечить согласование входного импеданса.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, сопротивление в фазе должно быть равно 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 оконечное 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 Пояснение

Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к симметричному резистору, а заземлен 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))<

Вышеприведенная формула может быть аппроксимирована как Vo=IB×((A×R1)/Rf)

Если синфазная клемма проходит через резистор R2 на землю и R2=R1/Rf, то напряжение на синфазной клемме составляет В+=-IB×R2

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

>В это время выходное напряжение операционного усилителя Vo=0.

6 уравнений идеального операционного усилителя

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

(а)

На основе виртуального разрыва, u+=u-, затем

(б)

2) Метод узлового напряжения
Перечислите уравнения узлового напряжения для узла 1 и узла 2 и получите

(с)

Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен в 1) и 2), невозможно перечислить уравнение KCL или уравнение напряжения узла на выходе операционного усилителя.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:

(г)

Следовательно, конечный выход операционного усилителя:

(д)

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.

Рис. 3. Цепь неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) представляет собой тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе по отношению к его входному сигналу на 180 градусов. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи на усилителе.

Рис. 4. Цепь инвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве сумматора
Сумматорную схему можно создать, подключив дополнительные входы к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рис. 5. Операционный усилитель в качестве сумматора

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.

Рисунок 7. Композитный усилитель

Сопротивление в цепи, как правило, выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивления влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и емкостная нагрузка операционного усилителя 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 усиления 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 Артикул

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

Характеристики операционных усилителей — Технические статьи

Эта интегральная схема имеет многие характеристики, приближающиеся к тем, которые считаются идеальными.

Идеальный операционный усилитель

Имея характеристики операционного усилителя, близкие к идеальным, достаточно легко проектировать и строить схемы с использованием ОУ на ИС. Не менее важно, чтобы компоненты схемы операционного усилителя могли работать на предсказанных теоретических уровнях. В этой статье мы расскажем об анализе схем, содержащих операционные усилители, о том, как использовать эти операционные усилители для проектирования усилителей, а также о важных неидеальных характеристиках операционных усилителей.

 Вспомогательная информация

 

Операционный усилитель имеет три контакта: два входа и один выход.На рисунке ниже, Рис. 1.1, показан символ, используемый для операционного усилителя, обсуждаемого в этой статье. Две клеммы с левой стороны операционного усилителя, 1 и 2, являются двумя входными клеммами, а клемма 3 с правой стороны является выходной клеммой. Для работы усилителя его необходимо подключить к источнику постоянного тока. Вообще говоря, большинству операционных усилителей на интегральных схемах требуется не один, а два источника питания постоянного тока, как показано на рис. 1.2. Эти две клеммы, 4 и 5, подключены к источнику положительного напряжения V cc и источнику отрицательного напряжения V ee соответственно.На рис. 1.2 (б) источники питания постоянного тока представлены в виде батарей, имеющих общий источник заземления. Источник заземления, к которому подключены два источника питания постоянного тока, на самом деле является просто общей клеммой двух источников питания. Интересно, что это так, потому что ни один вывод на корпусе операционного усилителя физически не подключен к земле. Для простоты в этой статье блоки питания на операционных усилителях не будут показаны.

 

 

Рис. 1.1 Обозначение операционного усилителя 

 

 

Рис. 1.2 подключения операционных усилителей к источникам питания постоянного тока

 

Помимо пяти обсуждаемых выводов, операционный усилитель может иметь и другие выводы для определенных целей. Такими целями могут быть частотная компенсация и отрицательная обратная связь или обнуление смещения, что уменьшает небольшие смещения постоянного тока, которые могут быть усилены.

Знакомство с характеристиками идеального операционного усилителя

Глядя на фактические функции схемы внутри операционного усилителя, мы видим, что она предназначена для определения разницы между сигналами напряжения, которые подаются непосредственно на две входные клеммы (разность v 2  — v 1 ).Как только это количество найдено, оно затем умножается на число A , и, в свою очередь, напряжение приводит к члену A (v 2 -v 1 ). С этого момента, когда напряжение упоминается на клемме, подразумевается напряжение между этой отдельной клеммой и землей; следовательно, v 1  – это напряжение, прикладываемое между клеммой 1 и землей.

Идеальный операционный усилитель не должен потреблять ток для входов; это означает, что ток на клемме 1 и сигнал на клемме 2 равны нулю.Это означает, что входное сопротивление идеального операционного усилителя должно быть бесконечным.

Теперь сосредоточимся на выходной клемме. Она должна вести себя так, как будто это клемма идеального источника напряжения. Проще говоря, напряжение между клеммой 3 и землей всегда будет равно А (v 2 — v 1 ) и не зависит от тока, который может или не может быть отведен от третьей клеммы в импеданс нагрузки.

С учетом всего сказанного можно проиллюстрировать модель операционного усилителя, показанного на рис. 1.3. Глядя на модель, можно увидеть, что выходной терминал имеет тот же знак, что и v 2 , но противоположный знак v 1 . Имея это в виду, входная клемма называется инвертирующей входной клеммой и обозначается знаком «-», а входная клемма 2 называется неинвертирующей входной клеммой и обозначается знаком «+».

Как указывалось ранее, операционный усилитель предназначен для обнаружения разницы между сигналами напряжения и будет игнорировать любой заданный сигнал, общий для обоих входов.Это означает, что если v 1  = v 2  = 1 В, то выход соответственно (идеальный) будет равен нулю. Это явление также известно как подавление синфазного сигнала. Это также может быть указано как нулевое усиление синфазного сигнала или, аналогично, бесконечное подавление синфазного сигнала. На данный момент мы можем сказать, что операционный усилитель представляет собой усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом, причем последний термин относится к тому факту, что выход этого операционного усилителя находится между землей и клеммой 3. 

 

   

Рис. 1.3 Схема идеального операционного усилителя

 

Показатель A известен как дифференциальное усиление. Известно, что это так, потому что это желаемое усиление операционного усилителя, когда на два входа, 1 и 2, подаются различные сигналы. Другое название, которое мы можем связать с этим термином, — усиление без обратной связи. Это усиление может быть получено, когда в операционном усилителе на ИС не используется обратная связь. Обычно коэффициент усиления без обратной связи обычно имеет исключительно высокое значение; идеальный операционный усилитель на самом деле имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи.

Следует отметить одну характеристику операционных усилителей — это усилители постоянного тока или усилители с прямой связью, что означает постоянный ток или постоянный ток, поскольку он усиливает сигналы с частотами, близкими к нулю. Учитывая, что операционные усилители представляют собой ИС с прямой связью, они гораздо более универсальны, что позволяет нам использовать их во многих более важных приложениях. Однако прямая связь может вызвать некоторые серьезные проблемы, которые будут обсуждаться позже.

Переходя к полосе пропускания, идеальный операционный усилитель имеет коэффициент усиления A , который будет оставаться постоянным до нулевой частоты и вплоть до бесконечной частоты.Другими словами, идеальный усилитель может усиливать сигналы любой частоты с одинаковым усилением, что позволяет им иметь бесконечную полосу пропускания. До сих пор обсуждались все характеристики и свойства идеальных операционных усилителей, кроме одного: коэффициент усиления A идеального операционного усилителя должен иметь большое и бесконечное значение, в идеале говоря. Однако возникает хороший вопрос: если коэффициент усиления бесконечно велик, как можно использовать операционный усилитель в каких-либо приложениях? На это можно ответить довольно просто, потому что операционный усилитель не будет использоваться исключительно в конфигурации без обратной связи почти во всех приложениях, о которых можно подумать.В следующей статье я расскажу, как другие компоненты будут задействованы, применяя обратную связь, чтобы завершить или замкнуть контур вокруг операционного усилителя.

Резюме

На данный момент мы обсудили, почему операционный усилитель так популярен благодаря своей универсальности, а также характеристики и функции идеального операционного усилителя. Подводя итог, характеристики идеального операционного усилителя следующие:

  • Бесконечная полоса пропускания благодаря идеальному коэффициенту усиления внутри операционного усилителя
  • Бесконечное усиление без обратной связи A
  • Бесконечное или нулевое синфазное усиление
  • Входное сопротивление бесконечного значения
  • Выходное сопротивление нуля

Теперь вы должны знать, для чего используется операционный усилитель, а также что искать в идеальном операционном усилителе.В следующей статье мы продолжим с того места, на котором остановились; мы представим и объясним два разных типа коэффициента усиления по напряжению, а также инвертирующую конфигурацию операционного усилителя, которая используется для инвертирования входного сигнала для получения инвертированного коэффициента усиления на выходе. Мы также углубимся в усиление с обратной связью и в то, как операционные усилители используются не сами по себе, а с компонентами. Наконец, в статье будет рассказано об анализе инвертирующей конфигурации операционного усилителя и влиянии конечного коэффициента усиления без обратной связи.Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, пожалуйста, оставьте их ниже!

Следующая статья из серии: Инвертирующая конфигурация усилителя

Характеристики ОУ | Electrical4U

Операционный усилитель или операционные усилители, как их обычно называют, представляют собой линейные устройства, которые могут обеспечить идеальное усиление постоянного тока. По сути, это устройства усиления напряжения, используемые с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы или конденсаторы. Операционный усилитель представляет собой устройство с тремя выводами, один из которых называется инвертирующим входом, другой — неинвертирующим входом, а последний — выходом.Ниже приведена схема типичного операционного усилителя:

Как видно из схемы, операционный усилитель имеет три клеммы для входа и выхода и 2 для питания.
Прежде чем мы поймем работу операционного усилителя, мы должны узнать о характеристиках операционного усилителя операционного усилителя. Мы объясним их по одному здесь:

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи (A)

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи для идеального операционного усилителя бесконечен. Но типичные значения коэффициента усиления по напряжению без обратной связи для реального операционного усилителя находятся в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.Пусть входное напряжение будет В в . Пусть A будет коэффициентом усиления по напряжению без обратной связи. Тогда выходное напряжение равно V из = AV из . Значение a обычно находится в указанном выше диапазоне, но для идеального операционного усилителя оно бесконечно.

Входное сопротивление (Z

в )

Входное сопротивление определяется как отношение входного напряжения к входному току. Входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно. То есть ток во входной цепи не течет. Однако во входной цепи идеального операционного усилителя протекает определенный ток величиной от нескольких пикоампер до нескольких миллиампер.

Выходное сопротивление (Z

из )

Выходное сопротивление определяется как отношение выходного напряжения к входному току. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю, однако реальные ОУ имеют выходное сопротивление 10-20 кОм. Идеальный операционный усилитель ведет себя как идеальный источник напряжения, обеспечивающий ток без каких-либо внутренних потерь. Внутреннее сопротивление снижает напряжение, подаваемое на нагрузку.

Полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечную полосу пропускания, то есть он может усиливать любой сигнал от постоянного до самых высоких частот переменного тока без каких-либо потерь.Поэтому говорят, что идеальный операционный усилитель имеет бесконечную частотную характеристику. В реальных операционных усилителях полоса пропускания обычно ограничена. Ограничение зависит от продукта усиления пропускной способности (ГБ). GB определяется как частота, на которой коэффициент усиления усилителя становится равным единице.

Напряжение смещения (V

io )

Напряжение смещения идеального операционного усилителя равно нулю, что означает, что выходное напряжение будет равно нулю, если разница между инвертирующим и неинвертирующим выводом равна нулю. Если обе клеммы заземлены, выходное напряжение будет равно нулю.Но настоящие ОУ имеют напряжение смещения.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR)

Синфазный режим относится к ситуации, когда одинаковое напряжение подается как на инвертирующий, так и на неинвертирующий вывод операционного усилителя. Подавление синфазного сигнала относится к способности операционного усилителя подавлять синфазный сигнал. Теперь мы можем понять термин «коэффициент подавления синфазного сигнала».
Коэффициент подавления синфазного сигнала относится к мере способности операционного усилителя подавлять синфазный сигнал.Математически это определяется как

Где A D — дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя, ∞ для идеального операционного усилителя.
A CM относится к синфазному усилению операционного усилителя.
КОСС идеального операционного усилителя равен ∞. Это означает, что он способен отклонять все синфазные сигналы. Также из формулы видно, что A D бесконечно для идеального операционного усилителя, а A CM равно нулю. Поэтому CMRR идеального операционного усилителя бесконечен. Поэтому он будет отвергать любой сигнал, который является общим для обоих.
Однако реальный omp имеет конечный CMRR и не подавляет все синфазные сигналы.

Основные характеристики и классификация операционных усилителей

Теплые подсказки: Слово в этой статье примерно 3500 и время чтения примерно 18 минут.

Введение

Прошло более 40 лет с тех пор, как появился аналоговый операционный усилитель. Самым ранним процессом является использование процесса кремния NPN , позже улучшенного до процесса кремния NPN-PNP (далее называемого стандартным процессом кремния).После того, как технология полевого транзистора с переходом (JFET) созрела, она была дополнена процессом JFET. Когда технология ламп MOS созрела. особенно после того, как технология CMOS созрела, аналоговый операционный усилитель сделал качественный скачок. В этой статье в основном рассказывается о классификации и характеристиках операционных усилителей, включая их основные параметры, распространенные типы операционных усилителей и т. д.

Каталог


I Классификация и характеристики операционных усилителей

Прошло более 40 лет с момента появления аналоговых операционных усилителей.Самый ранний процесс — это использование процесса кремния NPN, позже улучшенного до процесса кремния NPN-PNP (далее называемого стандартным процессом кремния). После того, как технология полевого транзистора с переходом ( JFET ) созрела, она была дополнена процессом JFET. Когда технология ламп MOS созрела. особенно после того, как технология CMOS созрела, аналоговый операционный усилитель сделал качественный скачок. С одной стороны, это решает проблему низкого энергопотребления; с другой стороны, проблема прямой обработки слабого сигнала постоянного тока решается за счет использования гибридной аналогово-цифровой схемотехники.

Прежде чем мы узнаем характеристику операционного усилителя ,посмотрим видео:

В этом видео объясняются характеристики идеального операционного усилителя

После долгих лет разработки технология аналоговых операционных усилителей стала очень зрелой, и их производительность идеальна при большом разнообразии. Это заставляет новичков не знать, как выбрать правильный. Чтобы облегчить выбор новичкам, в этой статье используются два вида методов классификации, такие как классификация процессов и классификация функций/производительности, для классификации интегрированного аналогового операционного усилителя, который легко понять читателю, и этот метод может отличаться от метода. обычные методы классификации.

1.1 Классификация на основе производственного процесса

В соответствии с производственным процессом используемые в настоящее время интегрированные аналоговые операционные усилители можно разделить на стандартные операционные усилители на кремниевой технологии, операционные усилители, включающие процесс JFET в стандартном кремниевом техпроцессе, и операционные усилители, включающие MOS процесс в стандартном процессе кремния. Классификация в соответствии с процессом предназначена для того, чтобы помочь новичкам понять влияние технологии обработки на характеристики интегрированного аналогового операционного усилителя и быстро понять характеристики операционного усилителя.

  • Характеристики интегрированного аналогового операционного усилителя на основе стандартного кремниевого процесса: низкий входной импеданс без обратной связи, низкий входной шум, немного более низкий коэффициент усиления, низкая стоимость, более низкая точность и более высокое энергопотребление. Это связано с тем, что все встроенные аналоговые операционные усилители стандартного кремниевого процесса представляют собой лампы NPN-PNP внутри. Учитывая частотные характеристики, ступень среднего усиления не может быть слишком большой, что уменьшит общее усиление, обычно между 80 ~ 110 дБ.Стандартный кремниевый процесс можно комбинировать с технологией лазерной коррекции, чтобы значительно повысить точность интегрированного аналогового операционного усилителя. В настоящее время параметр температурного дрейфа может достигать 0,15 ppm. Изменив стандартный кремниевый процесс, мы можем разработать универсальный операционный усилитель и высокоскоростной операционный усилитель. Типичный пример — LM324.

  • Операционные усилители, включающие процесс JFET в стандартном кремниевом процессе, в основном улучшают входной каскад интегрированного аналогового операционного усилителя стандартного кремниевого процесса до JFET, что значительно улучшает входное сопротивление операционного усилителя без обратной связи и скорость преобразования. кстати универсальный операционный усилитель увеличен.Другие интегрированные аналоговые операционные усилители аналогичны стандартным кремниевым технологическим операционным усилителям. Типичное входное сопротивление без обратной связи составляет порядка 1000 мОм. Типичным примером является TL084.

  • Операционные усилители, использующие МОП-процесс в стандартном кремниевом техпроцессе, делятся на три категории:

  1. (1) Первый вид заключается в том, что входной каскад интегрированного аналогового операционного усилителя в стандартном кремниевом процессе улучшен до MOS FET, что значительно улучшает входное сопротивление операционного усилителя без обратной связи по сравнению с JFET и увеличивает преобразование скорость универсального операционного усилителя. 12 Ом.Типичным примером является ICL7650.1.

1.2 Классификация на основе функций/характеристик

В соответствии с функциональной/рабочей классификацией аналоговые операционные усилители можно разделить на универсальные операционные усилители, маломощные операционные усилители, прецизионные операционные усилители, операционные усилители с высоким входным импедансом, быстродействующие операционные усилители, широкополосный операционный усилитель и высоковольтный операционный усилитель. Существуют также некоторые специальные операционные усилители, такие как программируемые операционные усилители, токовые операционные усилители, повторители напряжения и так далее.На самом деле, существует много видов операционных усилителей для удовлетворения потребностей приложения. Эта статья основана на приведенной выше простой таксономии.

То есть с развитием технологий менялся порог классификации. Например, предыдущий LM108 изначально классифицировался как прецизионный операционный усилитель, а теперь его можно отнести только к универсальным операционным усилителям. Кроме того, существуют также операционные усилители с низким энергопотреблением и высоким входным сопротивлением или, аналогично, они также могут принадлежать более чем к одному классу.

  • Универсальные операционные усилители — это самые дешевые операционные усилители с самыми основными функциями. Этот тип усилителя получил наибольшее распространение.

  • Потребляемая мощность маломощного операционного усилителя значительно снижена на основе универсального операционного усилителя. Его можно использовать в местах с ограниченным энергопотреблением, например, в портативных устройствах (КПК). Он имеет низкое статическое энергопотребление и низкое рабочее напряжение, почти равное напряжению батареи.Также он может поддерживать хорошие электрические характеристики на этапе низкого напряжения. С развитием МОП-технологии усилитель малой мощности перестал быть отдельным явлением. Статическое энергопотребление маломощных операционных усилителей обычно составляет менее 1 МВт.

  • Прецизионный операционный усилитель

    представляет собой интегрированный операционный усилитель с очень низким дрейфом и шумом, очень высоким коэффициентом усиления и подавлением синфазного сигнала, который также известен как операционный усилитель с низким дрейфом или малошумящий операционный усилитель.Температурный дрейф операционного усилителя этого типа обычно ниже 1 мкВ/℃. Благодаря технологическим достижениям напряжение смещения операционного усилителя ранней части относительно велико, возможно, до 1 мВ; Теперь напряжение смещения прецизионного операционного усилителя может достигать 0,1 мВ; Напряжение смещения прецизионного операционного усилителя, использующего метод рубленой стабилизации, может достигать 0,005 мВ. Прецизионный операционный усилитель в основном используется в областях, где требуется точность обработки усиления, например, в автоматических приборах и т. Д.

  • Операционный усилитель с высоким входным импедансом обычно относится к интегрированному операционному усилителю с лампой JFET или MOS в качестве входного каскада. Это включает в себя встроенный операционный усилитель с полной МОП-лампой. Входное сопротивление операционного усилителя с высоким входным сопротивлением обычно превышает 109 Ом. Побочной особенностью операционного усилителя с высоким входным сопротивлением является относительно высокая скорость преобразования. Широко используются операционные усилители с высоким входным сопротивлением.Например, схемы удержания выборки, интегратор, логарифмические усилители, инструментальные усилители, полосовые фильтры и так далее.

  • Высокоскоростной операционный усилитель — это операционный усилитель с высокой скоростью преобразования. Как правило, скорость преобразования составляет более 100 В/мкс. Высокоскоростной операционный усилитель используется в высокоскоростном АЦП/ЦАП, высокоскоростном фильтре, высокоскоростном удержании дискретизации, контурах фазовой автоподстройки частоты, аналоговом умножителе, конфиденциальном компараторе и видеосхеме.В настоящее время максимальная скорость преобразования может достигать 6000 В/мкс.

  • Широкополосный операционный усилитель относится к интегрированному операционному усилителю с полосой пропускания -3 дБ (BW), которая намного шире, чем обычный операционный усилитель. Многие высокоскоростные операционные усилители имеют широкую полосу пропускания, которую также можно назвать высокоскоростным широкополосным операционным усилителем. Эта классификация является относительной. Классификация одного и того же операционного усилителя в разных условиях эксплуатации может различаться.Широкополосные операционные усилители в основном используются для обработки широкополосных цепей входных сигналов.

  • Высоковольтный операционный усилитель предназначен для удовлетворения требований высокого выходного напряжения или высокой выходной мощности. Он в основном предназначен для решения проблем с выдерживаемым напряжением, динамическим диапазоном и энергопотреблением. Напряжение питания высоковольтного операционного усилителя может быть выше ±20 В постоянного тока. выходное напряжение может быть выше ±20 В постоянного тока.

 

 

II Основные параметры операционного усилителя

Существует множество параметров интегрированного операционного усилителя, среди которых основными параметрами являются параметр постоянного тока и параметр переменного тока.

Основные параметры постоянного тока включают входное напряжение смещения, температурный дрейф входного смещения (относится к дрейфу входного смещения напряжения), входной ток смещения, входной ток смещения, температурный дрейф тока входного смещения (называемый дрейфом входного тока смещения), дифференциальный режим открыт — коэффициент усиления постоянного напряжения контура, коэффициент подавления синфазного сигнала, коэффициент подавления напряжения источника питания, пиковое выходное напряжение, максимальное входное напряжение синфазного сигнала и максимальное входное напряжение дифференциального режима.

Основные параметры переменного тока включают полосу пропускания без обратной связи, ширину полосы с единичным усилением, скорость преобразования SR, полосу полной мощности, время нарастания, эквивалентное входное шумовое напряжение, входное сопротивление в дифференциальном режиме, входное сопротивление в синфазном режиме и выходное сопротивление.

  • Возьмем для примера NE5532 :

2.1 Параметр постоянного тока

Вот электрические характеристики постоянного тока NE5532:

Входное напряжение смещения определяется как компенсационное напряжение между двумя входными клеммами, когда выходное напряжение интегрального операционного усилителя равно нулю.Входное напряжение смещения фактически отражает симметрию внутренней схемы операционного усилителя. Чем лучше симметрия, тем меньше будет входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения очень важно для операционных усилителей, особенно для прецизионных усилителей или усилителей постоянного тока. Так что это чрезвычайно важный параметр для прецизионного операционного усилителя.

Температурный дрейф входного напряжения смещения определяется как отношение изменения входного напряжения смещения к изменению температуры в заданном диапазоне температур.Фактически этот параметр является дополнением к входному напряжению смещения. Это позволяет легко рассчитать дрейф усилителя из-за изменения температуры в заданном рабочем диапазоне. Входное напряжение смещения обычного операционного усилителя находится в диапазоне ±10~20 мкВ/℃. Температурный дрейф входного напряжения смещения прецизионного операционного усилителя составляет менее ±1 мкВ/℃.

Входной ток смещения определяется как средний ток смещения между двумя входными клеммами, когда выходное постоянное напряжение операционного усилителя равно нулю.Входной ток смещения связан с производственным процессом. Входной ток смещения биполярного процесса (т. е. упомянутого выше стандартного кремниевого процесса) составляет от ±10 нА до 1 мкА. Входной ток смещения усилителя с полевым транзистором в качестве входного каскада обычно меньше 1 нА.

Входной ток смещения определяется как разность токов смещения между двумя входными клеммами, когда выходное постоянное напряжение усилителя равно нулю. Входной ток смещения также отражает симметрию внутренней схемы усилителя.Чем лучше симметрия, тем меньше будет входной ток смещения. Входной ток смещения очень важен для операционных усилителей, особенно для прецизионных усилителей или усилителей постоянного тока.

Температурный дрейф входного тока смещения определяется как отношение изменения входного тока смещения к изменению температуры в заданном температурном диапазоне. Фактически этот параметр является дополнением к входному току смещения. Это позволяет легко рассчитать дрейф усилителя из-за изменения температуры в заданном рабочем диапазоне.

Максимальное синфазное входное напряжение определяется как синфазное входное напряжение операционных усилителей, когда усилитель работает в линейной области, а коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMR) значительно ухудшается. Входное напряжение синфазного сигнала обычно определяется как максимальное входное напряжение синфазного сигнала, когда коэффициент подавления синфазного сигнала уменьшен до 6 дБ. Максимальное синфазное входное напряжение ограничивает максимальное синфазное входное напряжение во входном сигнале. В случае помех следует обратить внимание на эту проблему при проектировании схемы.

Коэффициент подавления синфазного сигнала определяется как отношение усиления дифференциального режима к усилению синфазного сигнала, когда операционный усилитель находится в линейной области. Коэффициент подавления синфазного сигнала является очень важным параметром, который может подавлять вход дифференциального режима. Коэффициент подавления синфазного сигнала при нормальной работе составляет от 80 до 120 дБ.

Пиковое напряжение на выходе определяется как максимальная амплитуда напряжения на выходе операционного усилителя при подаче на него большого напряжения питания, когда операционный усилитель работает в линейной области и под указанной нагрузкой.

 

2.2 Параметр переменного тока

Вот электрические характеристики переменного тока NE5532:

Полоса пропускания без обратной связи определяется как соответствующая частота сигнала, когда синусоидальный сигнал малой амплитуды поступает на вход операционного усилителя, измеренный от выходного коэффициента усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя до падения усиления по постоянному току операционного усилителя на 3 дБ (или эквивалентно операционному усилителю). усиление постоянного тока 0,707). Это используется при обработке очень малых сигналов.

Ширина полосы единичного усиления определяется как соответствующая частота сигнала при подаче синусоидального сигнала малой амплитуды на вход операционного усилителя, измеренная от падения напряжения на выходе операционного усилителя с замкнутым контуром 3 дБ (или эквивалентного 0.707 входного сигнала операционного усилителя). Ширина полосы единичного усиления является очень важным показателем. Для синусоидального усиления слабого сигнала полоса единичного усиления равна произведению частоты входного сигнала на максимальное усиление на этой частоте. Другими словами, зная частоту сигнала и сигнал, подлежащий обработке, вы можете рассчитать полосу пропускания с единичным усилением и выбрать соответствующий операционный усилитель. Это для выбора операционного усилителя при обработке слабых сигналов.

Скорость нарастания операционного усилителя определяется как выходная скорость усилителя, которая измеряется на выходе усилителя, когда на вход операционного усилителя подается сильный сигнал (включая ступенчатый сигнал) при условии, что операционный усилитель, подключенный к замкнутому контуру. Скорость нарастания является очень важным показателем для обработки больших сигналов.Для обычного операционного усилителя скорость нарастания SR <= 10 В/мкс; для высокоскоростного операционного усилителя скорость нарастания SR > 10 В/мкс. Текущая максимальная скорость нарастания SR для высокоскоростных операционных усилителей достигла 6000 В/мкс. Это используется для выбора операционного усилителя при обработке больших сигналов.

Полоса пропускания при полной мощности определяется как диапазон частот, в котором операционный усилитель работает с полной мощностью. Эта частота ограничена скоростью нарастания операционного усилителя. Приблизительно ширина полосы пропускания по полной мощности = SR/2πVop (Vop — пиковая выходная амплитуда операционного усилителя).Полная полоса пропускания по мощности является очень важным показателем при выборе операционного усилителя для обработки больших сигналов.

Входное сопротивление в дифференциальном режиме (DMI) определяется как отношение изменения напряжения между двумя входными клеммами и соответствующего входного тока, когда операционный усилитель работает в линейной области. Входной импеданс дифференциального режима включает в себя входное сопротивление и входную емкость. На низкой частоте это относится только к входному сопротивлению. Общий продукт дает только входное сопротивление.Входное сопротивление операционного усилителя, использующего в качестве входного каскада биполярный транзистор, не более 10 МОм; Входное сопротивление полевого транзистора (FET) на входном каскаде обычно превышает 109 Ом.

Выходное сопротивление определяется как отношение этого изменения напряжения к соответствующему изменению тока при добавлении сигнального напряжения к выходу операционного усилителя, работающего в линейной области. . На низкой частоте это относится только к выходному сопротивлению операционного усилителя.

Символ операционного усилителя

III Распространенные типы операционных усилителей

Модель (спецификация)

Описание функций

Совместимая модель

СА3130

Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением

Интерсил[ДАННЫЕ]

СА3140

Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением

 

CD4573

Четырехпрограммируемый операционный усилитель

MC14573

ICL7650

Обрезанный нулевой стабилизированный усилитель

 

LF347(NS[ДАННЫЕ])

Счетверенный операционный усилитель полосы пропускания

КА347

ЛФ351

Одиночный операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ353

Двойной операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ356

Одиночный операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ357

Одиночный операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ398

Усилитель для проб и хранения

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ411

Одиночный операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛФ412

Двойной операционный усилитель BI-FET

(НС[ДАННЫЕ])

ЛМ124

Маломощный четырехоперационный усилитель (военный)

(NS[ДАННЫЕ])/ (TI[ДАННЫЕ])

ЛМ1458

Двойной операционный усилитель

НС[ДАННЫЕ

ЛМ148

Счетверенный операционный усилитель

НС[ДАННЫЕ

ЛМ2902

Счетверенный операционный усилитель

(НС[ДАННЫЕ])/

ЛМ2904

Двойной операционный усилитель

(НС[ДАННЫЕ])/

ЛМ301

Операционный усилитель

НС[ДАННЫЕ]

ЛМ308Х

Операционный усилитель (металлический корпус)

НС[ДАННЫЕ]

ЛМ318

Быстродействующий операционный усилитель

НС[ДАННЫЕ]

LM358 НС[ДАННЫЕ]

Универсальный двойной операционный усилитель

ХА17358/ЛМ358П(ТИ)

ЛМ380

Усилитель мощности звука

НС[ДАННЫЕ]

LM386-1 НС[ДАННЫЕ]

Аудиоусилитель

НДЖМ386ДУТК386

ЛМ3886

Мощный аудиоусилитель

НС[ДАННЫЕ]

ЛМ725

Прецизионный операционный усилитель

НС[ДАННЫЕ]

ЛМ733

Операционный усилитель полосы пропускания

 

LM741 НС[ДАННЫЕ]

Универсальный операционный усилитель

ХА17741

MC34119

Аудиоусилитель малой мощности

 

 

Часто задаваемые вопросы о характеристиках операционных усилителей

1.Каковы характеристики усилителя?
Характеристики аудиоусилителей
Выходная мощность
Искажение
Усиление
Частотная характеристика
Импеданс
Чувствительность
Отношение сигнал/шум
Перекрестные помехи

2. Каковы четыре идеальные характеристики операционного усилителя?
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.

 

3. Каковы три наиболее важные характеристики усилителя?
характеристики идеальных усилителей (бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, очень большой, но постоянный коэффициент усиления), которые часто используются при проектировании практических усилителей.

 

4. Как работает транзистор в качестве усилителя?
Транзистор действует как усилитель, увеличивая силу слабого сигнала. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к эмиттерному базовому переходу, заставляет его оставаться в состоянии прямого смещения…. Таким образом, небольшое входное напряжение приводит к большому выходному напряжению, что показывает, что транзистор работает как усилитель.

 

5. Что такое усилитель и его классификация?
Классификация усилителя основана на выводе устройства, который является общим как для входной, так и для выходной цепи. … Входной сигнал между коллектором и эмиттером инвертируется относительно входа. Схема с общим коллектором называется эмиттерным повторителем, истоковым повторителем и катодным повторителем.

 

Ⅳ Рекомендуемая литература

Учебное пособие по усилителям: основа усилителя и схема усилителя
Обзор основ операционного усилителя в электронике
Принцип и схема операционного усилителя
Типы операционных усилителей и сравнение основ и инвертирующих усилителей Базовый анализ
Основные проблемы, связанные с основами операционных усилителей

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Часть №: AD549KHZ Сравните: OPA128SM VS AD549KHZ Производители:ADI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель ANALOG DEVICES AD549KHZ, одиночный, 1 усилитель, 1 МГц, 3 В/мкс, от ± 5 В до ± 18 В, TO-99, 8 контактов
ПроизводительНомер детали:OPA2227UA/2K5 Сравните: Текущая часть Производители:TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель TEXAS INSTRUMENTS OPA2227UA/2K5, высокая точность, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В/мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов
№ производителя:OPA2227UA Сравните: OPA2227UA/2K5 VS OPA2227UA Производители:TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель TEXAS INSTRUMENTS OPA2227UA, двойной, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В/мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов
№ производителя:OPA2227U Сравните: OPA2227UA/2K5 VS OPA2227U Производители:TI Категория: Операционные усилители (общего назначения) Описание: Операционный усилитель, двойной, 2 усилителя, 8 МГц, 2.3 В/мкс, от ± 2,5 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов
Практические характеристики операционных усилителей

— EEEGUIDE.COM

Практические характеристики операционных усилителей:

Практические характеристики операционных усилителей могут быть достаточно точно аппроксимированы для многих практических операционных усилителей. Но в основном практические характеристики операционных усилителей немного отличаются от характеристик идеальных операционных усилителей.

Различные характеристики практического операционного усилителя можно описать следующим образом:

Коэффициент усиления разомкнутого контура: Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя при отсутствии обратной связи.Практически это несколько тысяч.

Входное сопротивление: Оно конечно и обычно превышает 1 МОм. Но при использовании полевых транзисторов для входного каскада его можно увеличить до нескольких сотен МОм.

Выходное сопротивление: Обычно это несколько сотен Ом. С помощью отрицательной обратной связи его можно уменьшить до очень малого значения, например, 1 или 2 Ом.

Полоса пропускания : Полоса пропускания практического операционного усилителя в конфигурации с разомкнутым контуром очень мала.Применяя отрицательную обратную связь, его можно увеличить до желаемого значения.

Входное напряжение смещения: Всякий раз, когда обе входные клеммы операционного усилителя заземлены, в идеале выходное напряжение должно быть равно нулю. Однако в этом состоянии практический операционный усилитель показывает небольшое ненулевое выходное напряжение. Чтобы сделать это выходное напряжение равным нулю, необходимо подать небольшое напряжение в милливольтах на одну из входных клемм. Такое напряжение делает выход точно равным нулю. Этот постоянный ток напряжение, которое делает выходное напряжение равным нулю, когда другая клемма заземлена, называется вход напряжение смещения , обозначаемое как V ios .Какое напряжение, на какой вывод и с какой полярностью подавать, указано производителем в техпаспорте. Входное напряжение смещения зависит от температуры.

Входной ток смещения : Для идеального операционного усилителя ток на входные клеммы не поступает. Практические операционные усилители имеют некоторые входные токи, которые очень малы, порядка от 10 – 6 А до 10 -14 А.

В большинстве операционных усилителей в качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель.Два транзистора дифференциального усилителя должны быть правильно смещены. Но практически невозможно получить точное согласование двух транзисторов. Таким образом, входные клеммы, которые являются базовыми клеммами двух транзисторов, проводят небольшой постоянный ток. ток. Эти малые базовые токи двух транзисторов представляют собой не что иное, как токи смещения, обозначаемые как I b1 и I b2 .

Таким образом, входной ток смещения можно определить как ток, протекающий через каждую из двух входных клемм, когда они смещены на один и тот же уровень напряжения i.е. когда операционный усилитель сбалансирован.

Два входных тока при сбалансированном ОУ показаны на рис. 2.9. Два тока смещения никогда не бывают одинаковыми, поэтому производители указывают средний входной ток смещения I b , который находится путем сложения величин I b1 и I b2 и деления суммы на 2,

.

Математически это выражается как Входной ток смещения : Разность величин I b1  и I b2 называется входным током смещения и обозначается как I ios .Таким образом,

Входной ток смещения


Величина этого тока очень мала, порядка 20–60 нА. Измеряется при условии, что входное напряжение операционного усилителя равно нулю.

Если мы поставим равный постоянный ток токи на два входа, выходное напряжение операционного усилителя должно быть равно нулю. Но практически на выходе есть некоторое напряжение. Чтобы сделать его равным нулю, два входных тока различаются на небольшую величину. Эта разница есть не что иное, как входной ток смещения.

Каковы характеристики усилителя?

Этот пост отвечает на вопрос «Каковы характеристики операционного усилителя?». Операционный усилитель, в основном известный как операционные усилители, представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления со связью по постоянному току, который состоит из устройства с тремя клеммами, включая инвертирующий вход, неинвертирующий вход и несимметричный выход.

Операционные усилители в основном представляют собой устройства усиления напряжения, которые используются с внешними элементами обратной связи, такими как резисторы или конденсаторы.

Здесь, V+ – неинвертирующий вход, V– – инвертирующий вход, Vout – выходной сигнал, VS+ – положительный источник питания, Vs– – отрицательный источник питания.

Из диаграммы видно, что операционный усилитель имеет три клеммы, например, 2 входа, неинвертирующий и инвертирующий, и один единственный выход, а также два источника питания. В любом случае, в этом посте мы поговорим о характеристиках операционных усилителей.

Вот характеристики операционных усилителей

Бесконечно высокое входное сопротивление

Это гарантирует, что операционный усилитель не вызывает нагрузки в цепи.Чем выше входное сопротивление, тем ток не будет потребляться. Итак, нам нужен высокий входной импеданс, чтобы операционный усилитель не мешал исходной схеме, вытягивая из нее ток. Формула входного сопротивления: Z=VI.

Здесь, чем ниже будет ток (I), тем выше будет входное сопротивление (Z).

Нулевой выходной импеданс

Когда операционный усилитель производит свой выходной сигнал, нам нужно, чтобы операционный усилитель имел нулевое напряжение.Так что максимальное напряжение будет передаваться на выходную нагрузку.

Бесконечное усиление разомкнутого контура

Операционный усилитель без обратной связи не имеет обратной связи (положительной или отрицательной), поэтому усилитель обеспечивает высокий коэффициент усиления.

Бесконечная ширина полосы

Идеальный операционный усилитель может работать в широком диапазоне частот. Он может усиливать любые частоты от сигналов постоянного тока до самых высоких сигналов переменного тока. Но большинство операционных усилителей имеют ограниченную полосу пропускания.

Напряжение смещения нуля

Выход операционного усилителя равен нулю, когда нет напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входом. Это означает, что когда разница между двумя входами (инвертирующими и неинвертирующими) равна нулю, то операционный усилитель o/p будет равен нулю. Но выход большинства операционных усилителей не будет равен нулю при выключении, так как с него будет небольшое напряжение.

V0=V1–V2=0

Скорость нарастания (бесконечная)

Скорость, с которой выходные данные меняются при изменении входных данных.В идеальном операционном усилителе скорость нарастания должна быть бесконечной, потому что при любых изменениях на входе выход реагирует быстро без какой-либо задержки.

Коэффициент подавления источника питания (PSRR)

Способность операционного усилителя подавлять любые изменения в подаче, которые могут отражать выходной сигнал. Идеальные операционные усилители имеют высокий PSSR.

CMMR (бесконечно)

Коэффициент подавления синфазного сигнала должен быть бесконечным, чтобы шум уменьшался больше. Это отношение дифференциального усиления к общему усилению.

CMRR = AdAcm

Здесь Ad — дифференциальное усиление, а Acm — общее усиление, где Acm = 0.

Это означает CMRR=Ad0=∞

Входное сопротивление (бесконечно)

Если значение сопротивления больше, то выходное напряжение будет больше, а коэффициент усиления увеличится.

Операционный усилитель | Основы работы с операционными усилителями и их применение

В этом уроке мы узнаем об операционных усилителях в целом, их характеристиках, нескольких приложениях и некоторых важных основах операционных усилителей.

Операционный усилитель

или просто операционный усилитель является одним из наиболее часто и широко используемых электронных компонентов. Они являются основными строительными блоками в аналоговых схемах и используются в широком спектре бытовой электроники, промышленного оборудования и научных устройств.

Введение

Операционный усилитель, широко известный как операционный усилитель, представляет собой дифференциальный усилитель напряжения с двумя входами и одним выходом, который характеризуется высоким коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель называется так потому, что он возник в аналоговых компьютерах и в основном использовался для выполнения математических операций.

В зависимости от схемы обратной связи и смещения операционный усилитель может выполнять функции сложения, вычитания, умножения, деления, инвертирования и, что интересно, даже выполнения вычислительных операций, таких как дифференцирование и интегрирование.

Сегодня операционные усилители являются очень популярными строительными блоками в электронных схемах. Операционные усилители используются для различных приложений, таких как усиление сигналов переменного и постоянного тока, фильтры, генераторы, регуляторы напряжения, компараторы и в большинстве бытовых и промышленных устройств.

Операционные усилители

практически не зависят от изменений температуры или производственных вариаций, что делает их идеальными строительными блоками для электронных схем.

Основная схема операционного усилителя показана на рисунке выше. Операционный усилитель имеет входной каскад дифференциального усилителя и выходной каскад эмиттерного повторителя. Практические схемы операционных усилителей намного сложнее, чем показанная выше базовая схема операционных усилителей.

Транзисторы Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель, в котором разностное входное напряжение подается на базовые клеммы Q1 и Q2.Транзистор Q3 работает как эмиттерный повторитель и обеспечивает низкое выходное сопротивление.

Выход базовой схемы операционного усилителя V OUT  задается как

.

V OUT = V CC –V RC – V BE3

VВЫХ = VCC – IC2RC – VBE

Где V RC — напряжение на резисторе R C , а V BE3 — напряжение база-эмиттер транзистора Q3.

Предположим, что транзисторы Q1 и Q2 являются согласованными транзисторами i.т. е., они имеют равные уровни V BE и равные коэффициенты усиления по току. Если выводы базы обоих транзисторов соединены с землей, эмиттерные токи I E1 и I E2 равны и оба I E1 и I E2   протекают через общий резистор RE. Ток эмиттера определяется соотношением

I E1 + I E2 = V RE / R E

Если обе базы Q1 и Q2 подключены к земле,

0 – V BE –V RE +V EE = 0

я.е. V RE = V EE – V BE

Следовательно, I E1 + I E2 = (V EE – V BE ) / R E

Когда на неинвертирующую входную клемму подается положительное напряжение, база транзистора Q1 подтягивается входным напряжением, а его эмиттерная клемма следует за входным сигналом. Поскольку эмиттеры Q1 и Q2 соединены вместе, эмиттер Q2 также подтягивается положительным входом на неинвертирующем выводе.

База транзистора Q2 заземлена, поэтому положительное напряжение на его эмиттере вызывает уменьшение напряжения база-эмиттер V BE2 . Уменьшение V BE2 приводит к уменьшению тока эмиттера I E2 и, следовательно, к уменьшению I C2 .

Можно отметить, что положительный входной сигнал на контакте №3 дает положительный выходной сигнал, отсюда и название неинвертирующего входного терминала.

Символ операционного усилителя

Примечание:

  • Если входной сигнал подается на одну из входных клемм на другую входную клемму, соединенную с землей, операция называется «несимметричной».
  • В несимметричном режиме одиночный вход управляет обоими транзисторами из-за соединения с общим эмиттером. Таким образом, полученный выход управляется обоими коллекторами.
  • Если два входных сигнала подаются на две входные клеммы, операция называется «двусторонней».
  • В двустороннем режиме разность входных сигналов, подаваемых на две входные клеммы, приводит в действие транзисторы, а полученный выходной сигнал управляется обоими коллекторами.
  • Если на оба входа подается один и тот же вход, операция называется «общий режим».В синфазном режиме общий входной сигнал на обеих входных клеммах приводит к возникновению противоположных сигналов на каждом коллекторе.
  • Эти сигналы отменяются, в результате чего выходной сигнал становится равным нулю. На практике противоположные сигналы не полностью компенсируют друг друга, и на выходе получается слабый сигнал.

Дифференциальный усилитель на транзисторах

Все операционные усилители состоят из дифференциального усилителя на входном каскаде. Если на две входные клеммы операционного усилителя подаются два разных сигнала напряжения, результирующий выходной сигнал пропорционален «разнице» между двумя сигналами.

Таким образом, дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, измеренными относительно общего эталона. Дифференциальный усилительный каскад операционного усилителя показан ниже.

Два транзистора Q1 и Q2 имеют идентичные характеристики. Два входных сигнала Vi1 и Vi2 подаются на базовые клеммы Q1 и Q2 соответственно. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель имеет две выходные клеммы V O1 и V O2 .

В идеале выходное напряжение равно нулю, когда оба входа равны.Когда Vi1 больше, чем Vi2, выходная клемма V O1 будет положительной, а V O2   будет отрицательной. Когда V i2 больше, чем V i1 , выходная клемма V O2 будет положительной по отношению к V O1 .

Выход V O определяется как,

В О = А Д i1 – В i2 )

Где  A D   – дифференциальное усиление.

Дифференциальный усилитель можно настроить четырьмя различными способами:

  • Дифференциальный усилитель со сбалансированным выходом и двойным входом.
  • Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом и двойным входом.
  • Дифференциальный усилитель с балансным выходом и одним входом.
  • Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом и одним входом.

Коэффициент усиления синфазного сигнала

Когда на обе входные клеммы подается один и тот же сигнал входного напряжения, работа называется «синфазной». Синфазный сигнал обычно представляет собой помехи или статический сигнал.

Коэффициент усиления синфазного сигнала представляет собой изменение выходного напряжения из-за входа синфазного сигнала, деленное на входное напряжение синфазного сигнала.

В то время как дифференциальный усилитель обеспечивает большое усиление разностного напряжения, подаваемого на оба входа, он различает синфазные входные сигналы, т. е. отказывается усиливать синфазные сигналы.

Способность дифференциального усилителя подавлять синфазный сигнал выражается его коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR).

Более высокое значение CMRR представляет лучшую способность подавлять синфазные сигналы. Таким образом, любой нежелательный сигнал, такой как шум или помехи, будет казаться общим для обеих входных клемм, и влияние этого сигнала на выход будет нулевым.

CMRR — это отношение дифференциального усиления к синфазному усилению дифференциального усилителя, т.е.

CMRR = A D /A C

Где, A D = V O / (V i1 – V i2 )

и A C = V O(CM) / V i(CM)

Эквивалентная схема идеального операционного усилителя

Эквивалентная схема идеального операционного усилителя показана выше. Входное напряжение V DIFF — это разность напряжений (V 1 -V 2 ).Z в — это входное сопротивление, а Z вых — это выходное сопротивление.

Параметр усиления A называется усилением без обратной связи. Если операционный усилитель не имеет обратной связи от выхода к любому из входов, говорят, что он работает в конфигурации без обратной связи.

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, бесконечный размах напряжения, бесконечную полосу пропускания, бесконечную скорость нарастания и нулевое входное напряжение смещения.

Характеристики операционного усилителя

Входное сопротивление (Z в )

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечное входное сопротивление, чтобы предотвратить любой поток тока от источника питания в схему операционного усилителя.Но когда операционный усилитель используется в линейных приложениях, извне обеспечивается некоторая форма отрицательной обратной связи. Из-за этой отрицательной обратной связи входное сопротивление становится равным 9000 Ом.

Z в = (1 + A OL β) Z i

Где, Z в — входное сопротивление без обратной связи

A OL — коэффициент усиления без обратной связи

β — коэффициент обратной связи (1 для повторителя напряжения)

Полное сопротивление источников сигнала, подключенных к входу операционного усилителя, должно быть намного меньше, чем входное сопротивление усилителя, чтобы избежать потери сигнала.

Выходное сопротивление (Zout)

Идеальный операционный усилитель имеет нулевое выходное сопротивление. Это означает, что выходное напряжение не зависит от выходного тока. Таким образом, идеальный операционный усилитель может действовать как идеальный внутренний источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, так что максимальный ток может подаваться на нагрузку.

Практически на выходное сопротивление операционного усилителя влияет отрицательная обратная связь и определяется как

Zout = Zo / (1 + AOL β)

Где,

Zo — выходное сопротивление операционного усилителя без обратной связи

AOL — усиление без обратной связи

β – коэффициент обратной связи

Полное сопротивление нагрузки, подключенное к выходу операционного усилителя, должно быть намного больше, чем выходное сопротивление схемы, чтобы избежать каких-либо значительных потерь на выходе из-за падения напряжения на Zout.

Коэффициент усиления без обратной связи (AVO)

Коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи определяется как коэффициент усиления операционного усилителя при отсутствии обратной связи с выхода на любой из его входов. Для идеального операционного усилителя теоретически усиление будет бесконечным, но практическое значение находится в диапазоне от 20 000 до 200 000.

Полоса пропускания (BW)

Идеальный операционный усилитель может усиливать сигнал любой частоты от постоянного до самых высоких частот переменного тока, поэтому он имеет бесконечную частотную характеристику. Следовательно, полоса пропускания идеального операционного усилителя должна быть бесконечной.

В практических схемах полоса пропускания операционного усилителя ограничена произведением коэффициента усиления на полосу пропускания (ГБ).

CMRR (коэффициент подавления синфазного сигнала)

CMRR определяется как способность операционного усилителя подавлять синфазный входной сигнал. CMRR является важным показателем операционного усилителя. Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечный CMRR. В практических схемах CMRR определяется как

.

КОСС = 20 log10 (AD/|AC|) дБ

Где AD — дифференциальное усиление, а AC — синфазное усиление операционного усилителя.

Напряжение смещения (В iO )

Входное напряжение смещения определяет дифференциальное напряжение постоянного тока, необходимое между входными клеммами, чтобы сделать выход нулевым напряжением по отношению к земле. Идеальный операционный усилитель будет иметь нулевое напряжение смещения, тогда как практические операционные усилители показывают небольшое смещение.

Скорость нарастания

Скорость нарастания определяется как максимальное изменение выходного напряжения в единицу времени и выражается в вольтах в секунду.

Идеальный операционный усилитель будет иметь бесконечную скорость нарастания.В практических операционных усилителях скорость нарастания по своей природе ограничена небольшими внутренними управляющими токами операционного усилителя, а также внутренней емкостью, предназначенной для компенсации высокочастотных колебаний.

Таблица характеристик операционных усилителей

Частотная характеристика операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи A OL не является постоянным для всех частот. Реальные операционные усилители имеют коэффициент усиления без обратной связи, зависящий от частоты. Кривая частотной характеристики практического операционного усилителя показана ниже.

Из приведенной выше кривой видно, что произведение коэффициента усиления и частоты постоянно в любой точке кривой. Эта константа известна как произведение усиления на пропускную способность (ГБ). Кроме того, коэффициент усиления усилителя в любой точке кривой определяется частотой единичного усиления (0 дБ).

Полоса пропускания операционного усилителя

Полоса пропускания операционного усилителя определяется как диапазон частот, в котором коэффициент усиления усилителя по напряжению превышает -3 дБ (максимум 0 дБ) от его максимального выходного значения.

На приведенном выше рисунке -3дБ AV(max) показано как 37дБ. Линия 37 дБ пересекается с кривой на частотах чуть более 10 кГц. Эта частота может быть вычислена более точно, если известно произведение GB усилителя.

Можно заметить, что коэффициент усиления без обратной связи уменьшается по мере увеличения частоты входного сигнала. Частота отображается в логарифмическом масштабе, а усиление уменьшается линейно по мере логарифмического увеличения частоты.

Известно, что скорость падения коэффициента усиления операционного усилителя составляет 20 дБ за декаду.

Приложения для операционных усилителей

  • Операционные усилители являются популярными строительными блоками электронных схем и находят применение в большинстве бытовых и промышленных электронных систем.
  • Операционные усилители
  • можно настроить для работы в качестве различных типов усилителей сигналов, таких как инвертирующие, неинвертирующие, дифференциальные, суммирующие и т. д., а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение, деление, а также дифференцирование и интеграция.
  • Операционные усилители
  • могут быть использованы в составе активных фильтров, обеспечивающих функции верхних, нижних частот, полосовых, режекторных и задержек.
  • Высокий входной импеданс и коэффициент усиления операционного усилителя позволяют напрямую рассчитывать номиналы элементов, точно реализовывать любую требуемую топологию фильтра, практически не заботясь о влиянии нагрузки каскадов в фильтре или последующих каскадов.
  • Операционный усилитель при необходимости может быть принудительно задействован в качестве компаратора.Малейшая разница между входными напряжениями будет значительно усилена.
  • Операционные усилители
  • используются в конструкции генераторов, таких как мостовой генератор Вейна. Операционные усилители также используются в нелинейных схемах, таких как логарифмические и антилогарифмические усилители.
  • Операционные усилители
  • находят применение в качестве источников напряжения, источников тока и потребителей тока, а также в качестве вольтметров постоянного и переменного тока. Операционные усилители также используются в схемах обработки сигналов, таких как прецизионные выпрямители, схемы фиксации и схемы выборки и хранения.

Обзор операционных усилителей

  • Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Большинству операционных усилителей для работы требуется как положительный, так и отрицательный источник питания.
  • Операционные усилители
  • можно настроить с помощью одной или нескольких внешних обратных связей и смещений по напряжению для получения желаемых откликов и характеристик.
  • Базовая конструкция операционного усилителя представляет собой устройство с тремя выводами, за исключением силовых соединений. Операционные усилители воспринимают разницу между сигналами напряжения, подаваемыми на их входные клеммы, и затем усиливают ее с некоторым заранее заданным коэффициентом усиления.Это усиление часто называют усилением «без обратной связи».
  • Замыкание разомкнутого контура путем подключения резистивного или реактивного компонента между выходом и одной входной клеммой операционного усилителя значительно уменьшает и контролирует этот коэффициент усиления разомкнутого контура.
  • Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, бесконечную полосу пропускания, бесконечную скорость нарастания и нулевое смещение.
  • Практический операционный усилитель демонстрирует высокий коэффициент усиления без обратной связи, высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление.
  • Из-за их универсального применения операционные усилители используются в сочетании с резисторами и конденсаторами для создания функциональных схем, таких как инвертирующие, неинвертирующие усилители, следующие за напряжением, суммирующие, вычитающие, интегрирующие и дифференцирующие усилители.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.