1.3.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей
Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.
Идеальный ОУ имеет следующие параметры:
- коэффициент усиления по напряжению ;
- входное сопротивление ;
- выходное сопротивление .
Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.
Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 1.10.
Здесь:
вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;
вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;
выход – однотактный;
+Еп и ‑Еп –‑ выводы двух источников питания Еп или двуполярного источника.
Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.
Характеристики реальных ОУ немного отличаются от идеальных.
Основные параметры реальных ОУ:
а) коэффициент усиления дифференциального сигнала
;
б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;
в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах ;
г) входное сопротивление Rвх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);
д) выходное сопротивление Rвых = 20 ¸2000 Ом;
е) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – – зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на
рисунке 1.11,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, (т.е. на минус 20 дБ).
Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);
ж) фазочастотная характе-ристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты (см. рисунок1.11,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус . ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.
Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;
и) ‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;
к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 1.12.
Обычно .
л) если при Uвх = 0 также и Uвых = 0, имеет место баланс ОУ.
В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется при Uвх = 0 (см. рисунок 1.13);
м) U вх смещ нуля или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Оно примерно равно 1...3 мВ;
н) разность входных токов ‑ 5…50 нА;
п) диапазон допустимых синфазных напряжений – это максимальное одинаковое напряжение на обоих входах, чтобы ОУ не вошел в насыщение или отсечку – 3…13 В;
1.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель
Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 1.14. Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT1 ¸ VT4. Основные транзисторы VT1 и VT2 – p-n-p-типа.
Динамическая нагрузка (транзисторы VT3 и VT4 ‑ n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ1 в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения. Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.
Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT5 и VT6 по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ2. Емкость СК »30 пФ ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD1 и VD2 для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.
В выходной каскад входят: комплементарная пара транзисторов VT7 (n-p-n-типа) и VT8 (p-n-p-типа), диоды VD1 и VD2, генератор стабильного тока ГСТ2, транзистор VT6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ2, VD1, VD2 и VT6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT7 и VT8. Причем. . Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.
При отсутствии сигнала на входе ОУ UВХ = 0 ток через нагрузку IН = 0. Через транзисторы VT7 и VT8 течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс UVD1 на транзисторе VT7 и минус UVD2 – на транзисторе VT8. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT6 за счет источников напряжения питания + Еп1 и ‑ Еп2 на аноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT7 и VT8 открыты поочередно. При подаче с коллектора VT6 положительного перепада напряжения транзистор VT8 запирается, а VT7 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп1, кэVT7, Rн, ‑ Еп1. При подаче с коллектора VT6 отрицательного перепада напряжения транзистор VT7 запирается, а VT8 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп2, Rн, кэVT8, ‑ Еп2.
1.3.3 Внешние цепи
В операционных усилителях используются внешние цепи:
а) цепи коррекции частотной характеристики – частотно-зависимые RC-цепи;
б) цепи балансировки для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом входном;
в) цепи защиты:
1) от пробоя на входе при высоком входном напряжении;
2) от короткого замыкания на выходе включается последовательно резистор примерно 400 омов;
3) от переполюсовки источника питания при неправильной полярности включения;
4) от перенапряжения источника питания;
г) цепи обратной связи.
Обычно в ОУ используется отрицательная обратная связь, т.к. без нее даже при коэффициент усиления стремится к бесконечности и может достичь предельного значения.
Отрицательная обратная связь позволяет:
создать схему с заданными функциями;
достичь нужного коэффициента усиления;
повысить стабильность и устойчивость схемы;
добиться необходимых и ;
уменьшить линейные и нелинейные искажения.
Рассмотрим усилители сигналов и решающие усилители.
1.3.4 Инвертирующий усилитель
В схеме (см. рисунок 1.15) примем допущения: ; .(1.1)
Так как и , то . Следовательно точку А можно считать закороченной на землю.
По первому закону Кирхгофа , а так как , то и, следовательно, .
Определим коэффициент усиления инвертирующего усилителя
. (1.2)
Из (1.2) видно, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя не зависит от параметров ОУ, а определяется только элементами обратной связи. Здесь имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.
Если , то усилитель (см. рисунок 1.15) является инвертором.
Для симметрирования (уравнивания) входных токов ставится резистор R, который определяется как параллельно соединенные Rос и R1
.
1.3.5 Неинвертирующий усилитель
На рисунке 1.16,а представлена схема неинвертирующего усилителя. Цепь Rос–R1 создает последовательную отрицательную обратную связь (ООС) по напряжению. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Допустим, что выполняются условия (1.1). Тогда и . Из рисунка 1.16,а находим
Uвх = I1R1, Uвых = I1 (R1+Rос), следовательно, коэф-фициент усиления неинвертирующего усилителя равен .
Если и (см. рисунок1.16,б), то это повторитель напряжения. Имеет место 100% последовательная ООС по напряжению.
Сигнал на выходе повторяет входной сигнал.
1.3.6 Решающие усилители