Устройство и принцип действия

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами. Основными операциями, выполняемыми с помощью ОУ, являются следующие: усиление (ослабление), сложение (вычитание), интегрирование (дифференцирование), логарифмирование (потенцирование) и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей обратной связи, содержащих различные элементы: резисторы, емкости, индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и т.д. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, должны иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением, с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен быть очень широким (от постоянного напряжения до максимально достижимой высокой частоты). Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения, напряжение на его входе должно быть близким к нулю.

Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения на противоположную и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется - неинвертирующим. Условное графическое обозначение дифференциального операционного усилителя приведено на рис. 1а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него двух напряжений питания разной полярности: +Е_п и -Е_п. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

Рис. 1. Условное графическое обозначение дифференциального

операционного усилителя (а), инвертирующего (б)

и неинвертирующего (в)

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входов, один из которых будет инвертирующим (рис. 1б), а другой - неинвертирующим (рис. 1в). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле

U_вых = (U_вх1-U_вх2)·А, (1)

где А→∞ - коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_вых = -U_вх2 А, а для неинвертирующего U_вых = -U_вх1 А. Разностное напряжение (U_вх1-U_вх2) = U_диф - называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным U_сф = U_вх1= U_вх2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой (1) выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Подача на вход ОУ дифференциального (а) и синфазного (б) сигналов

Дифференциальный ОУ можно заменить его схемой замещения. Для идеального ОУ можно воспользоваться схемой замещения, приведенной на рис. 3а. В этой схеме замещения на выходе включен источник напряжения U_вых, управляемый дифференциальным входным напряжением U_диф =U_вх1-U_вх2, в соответствии с уравнением (1). Входные токи в этой схеме отсутствуют, так как входное сопротивление считается равным бесконечности.

Если учесть свойства реального усилителя, то схема замещения дифференциального ОУ, приведенная на рис. 3б, будет содержать источники входных токов i_вх+ и i_вх-, входное сопротивление r_вх, источник напряжения смещения нулевого уровня e_см и выходное сопротивление r_вых. Использование этой схемы замещения позволяет учесть влияние на выходной сигнал внутренних сопротивлений источников сигнала и сопротивления нагрузки, а также смещение нулевого уровня, обусловленное наличием источников входных токов i_вх+ и i_вх- и напряжения e_см.

Рис. 3. Схема замещения дифференциального операционного усилителя: идеального (а) и реального (б)

Схемы замещения ОУ, приведенные на рис. 3, можно использовать для расчета схем с ОУ в статическом режиме, однако для анализа динамических свойств ОУ они непригодны. В интегральных ОУ для обеспечения устойчивости в широкой полосе частот используется частотная коррекция усиления, которая обеспечивает снижение усиления с ростом частоты. Обычно эта частотная коррекция представляет собой интегрирующее звено, у которого коэффициент передачи обратно пропорционален частоте.

Основные характеристики операционных усилителей можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу ОУ в установившемся режиме:

–коэффициент усиления на постоянном напряжении К(0) = ΔU_вых/ΔU_вх;

–напряжение смещения нулевого уровня e_см - это напряжение, которое нужно приложить ко входу ОУ, чтобы сделать U_вых = 0;

–входные токи i_вх+ и i_вх- - это токи протекающие через входные цепи ОУ;

–разность входных токов Δ i_вх = i_вх+ - i_вх-;

–температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня Δe_см/ΔТ;

–температурный коэффициент разности входных токов Δ i_вх/ ΔТ;

–коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оос - это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_диф / К_сф = К_оос;

–максимальный выходной ток I_{вых.макс}.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) f_пр = f₁ и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения V_{uвыхмах}. Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется с помощью RC-цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основное назначение коррекции - предотвращать возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью отрицательной обратной связи.

Причина возникновения автоколебаний в том, что в самом ОУ и в цепях обратной связи имеются фазовые сдвиги сигнала, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в положительную. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления на частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре составляет 360°. Иногда используют цепи коррекции, которые уменьшают фазовый сдвиг на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы. Такую коррекцию называют опережающей, так как она обеспечивает опережение по фазе. Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятием - изготовителем и приводятся в справочных руководствах. В то же время имеется большое количество ОУ с внутренней коррекцией. Внутренняя коррекция упрощает использование ОУ, но не позволяет полно реализовать его динамические свойства.

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

· универсальные, или общего применения (К(0) = 10³ – 10⁵, f_пр = 1,0 – 10 МГц, e_см > 0,5 мВ);

· прецизионные, или инструментальные (К(0) > 0,5·10⁶, e_см < 0,5 мВ);

· быстродействующие (V_uвых > 20 В / мкс, f_пр > 15 МГц);

· микромощные (I_потр < 1 мА).

Ниже в таблице приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Следует отметить, что прецизионные ОУ имеют весьма малые значения напряжения смещения нулевого уровня и его температурного коэффициента. Кроме того, они отличаются большим значением коэффициента усиления, что приближает их к идеальным ОУ. В свою очередь быстродействующие усилители отличаются широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Микромощные усилители отличаются высокой экономичностью. Они могут работать при напряжении питания от 1,5 В и потреблять ток 10 – 1000 мкА.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: