Интегральные операционные усилители

Операционным (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления с двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Первые ОУ появились до разработки интегральных микросхем. Они были выполнены на электронных лампах и впервые использовались в узлах аналоговых ЭВМ, реализующих различные математические операции: суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время на основе ОУ выполняют более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры.

Основными характеристиками ОУ являются амплитудная (АХ) (рис. 2.16, а) и амплитудно-частотная (АЧХ) (рис. 2.16, б).

При подаче сигнала на неинвертирующий вход АХ имеет вид кривой АВ (рис. а), а при подаче сигнала на инвертирующий вход — вид кривой CD. Линейный участок АХ сверху и снизу практически ограничен напряжениями источников питания положительной и отрицательной полярностей. Коэффициент усиления постоянного тока и очень низких частот современных ОУ достигает 104 … 106, а частота единичного усиления — 15*10⁶ Гц. Наличие у ОУ инвертирующего входа позволяет охватывать его отрицательной обратной связью (ООС) и реализовывать требуемые АХ и АЧХ (показанные на рис. штриховыми линиями).

Важным достоинством функциональных узлов на основе ОУ с глубокой ООС является возможность обеспечения высоких технических показателей, практически не зависящих от параметров элементов, из которых состоит ОУ. В принципе, ОУ можно рассматривать как перспективный тип активного прибора универсального назначения, который с успехом может заменить электронные лампы и транзисторы в ряде функциональных узлов электронной аппаратуры.

На практике ОУ обычно используются с цепями обратной связи. Отрицательная ОС широко используется в усилителях на основе ОУ. Вариант для реализации усилителя показан на рис.

Здесь ООС задается резисторами RОС1 и RОС2. Коэффициент передачи четырехполюсника ОС определяется по формуле

(2.24)

Этот коэффициент называют коэффициентом ООС. Он может принимать значения в пределах 0 ... 1. Без учета реактивных элементов ОУ выражение для расчета КООС принимает вид:

К_ООС=К_О/(1+К_ОСК_О)=К_О/А (2.25)

где К₀ — коэффициент усиления ОУ без ООС, А=1+К_ОСК_О глубина ООС. В практических случаях К_ОСК_О>>1. Пренебрегая единицей, видим, что КООС обратно пропорционален КОС:

К_ООС»1/К_ОС=(R_ОС1+R_ОС2)/R_ОС1.

Как видно из этой формулы, коэффициент усиления ОУ с ООС практически не зависит от К₀, а определяется внешними элементами: резисторами R_ОС1 и R_ОС2, которые могут быть выбраны достаточно точными и стабильными. Усилитель, у которого коэффициент передачи задается внешними резисторами, получил название масштабного.

При использовании ООС в А раз уменьшается коэффициент усиления ОУ. Важными преимуществами ОУ с ООС являются: уменьшение в А раз частотных и нелинейных искажений, вносимых ОУ, а также выходного сопротивления ОУ. При ООС существенно расширяется диапазон входных сигналов, для которых соблюдается линейность АХ и АЧХ. Указанные свойства определяют широкое применение ОУ с ООС.

Если подавать U_ОС в фазе с напряжением генератора входного сигнала U_Г (т. е. подключать выход четырехполюсника КОС к неинвертирующему входу), то ОУ оказывается охваченным ПОС. В формуле для расчета K_ОС это отражается как изменение знака у K_ОС:

К_ПОС=К_О/(1-К_ОСК_О). (2.27)

Из этой формулы видно, что ПОС способствует увеличению коэффициента усиления ОУ по сравнению с К0. Однако введение ПОС в усилителе сопровождается ухудшением стабильности (устойчивости) его режима, увеличением частотных и нелинейных искажений, уменьшением динамического диапазона уровней усиливаемых сигналов. Поэтому ПОС в усилителях используется редко.

При глубокой ПОС, если К_ОСК₀>1, происходит самовозбуждение ОУ. Это явление, как полезное, широко используется в автогенераторах.

Первые типы интегральных ОУ содержали три каскада усиления напряжения и выходной эмиттерный повторитель (ЭП). Структурная схема указанных ОУ показана на рис. 2.4, а.

Выполненные по такой структурной схеме, получили название трехкаскадных. Название объясняется числом каскадов усиления напряжения. Как правило, здесь и в других типах ОУ на входе используется дифференциальный каскад усиления (ДУ). Выход ДУ подключен к каскаду усиления напряжения (УН). Между УН и ЭП включен усилитель мощности (УМ) со схемой сдвига уровней. Схема сдвига уровней широко используется в ОУ для обеспечения нулевого постоянного напряжения в нагрузке при отсутствии входного сигнала.

Широкое применение в настоящее время находят двухкаскадные ОУ (рис. б). Отличительной особенностью таких ОУ является совмещение функций усиления напряжения и мощности в одном каскаде УМ. Переход к двухкаскадным схемам стал возможным благодаря применению в них биполярных транзисторов (БТ) с большими значениями коэффициента усиления по току, работающих на динамические нагрузки. Динамические нагрузки представляют собой генераторы тока на основе транзисторов и обеспечивают высокие значения сопротивлений переменному току.

Питание ОУ обычно осуществляется от двух разнополярных источников питания. Для большинства современных ОУ напряжения питания можно менять в широких пределах ± (3...15) В, что позволяет создавать как экономичные устройства, так и устройства с большой амплитудой выходного сигнала.

Рассмотрим технические решения основных типов функциональных узлов ОУ. Важнейшим узлом является дифференциальный каскад усиления. Простейшие схемы ДУ, выполненные на основе БТ и ПТ, приведены на рис. а и б соответственно.

Дифференциальным каскадом усиления называют функциональный узел, усиливающий разность двух напряжений (дифференциальное напряжение). В идеальном случае (когда R₁=R₂ идентичны характеристики VT₁ и VT₂) выходное напряжение ДУ пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его выходам, и не зависит от их абсолютных значений: U_ВЫХ=К_Д(U_ВХ1-U_ВХ2), где K_Д—коэффициент усиления разности входных напряжений.

Реальный ДУ не обладает идеальной симметрией, в результате чего выходное напряжение зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом половина этой суммы (Uвх₁+Uвх₂)/2 называется синфазным сигналом. Выходное напряжение реального ДУ Uвых=Кд(Uвх1-Uвх2)+Кс(Uвх1+Uвх2)/2, где К_С— комплексный коэффициент передачи синфазного сигнала. Качество ДУ оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала Косс=Кд/Кс. У реальных ДУ КОСС =103...105.

Для реализации ДУ с большими значениями КД в качестве R1 и R2 целесообразно использовать динамические нагрузки. Для реализации ДУ с малыми значениями КД необходима высокая степень симметрии плеч и глубокая местная ООС для синфазного сигнала. Это достигается включением динамической нагрузки вместо резистора R3.