ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ, ПОБУДУВАННЯ

Загальні відомості про операційні підсилювачі. Операційний підсилювач (ОУ) - це високоякісний підсилювач в інтегральному виконанні, призначений для посилення як постійних, так і змінних сигналів. У принципі, ОУ ставляться до класу підсилювачів постійного струму, тобто немає «завалів» у сфері низьких частот, а вхідний каскад зменшення дрейфу нуля (синфазних складових) виконаний як диференціальний підсилювач.

Спочатку такі підсилювачі використовувалися в аналогових обчислювальних пристроях до виконання математичних операцій (складання, віднімання, диференціювання тощо. буд.). Це пояснює походження терміна «операційний». Однак ОУ є багатофункціональним схемотехнічним рішенням і має безліч застосувань крім математичних операцій. ОУ, наприклад, широко використовуються для посилення, перетворення (наприклад, фільтрації) і генерування сигналів.

Інтегральна схема (ІС) ОУ містить велику кількість (десятки) елементів, але за розмірами та вартістю наближаються до окремих транзисторів. Завдяки практично ідеальним характеристикам ОУ різні функціональні схеми з їхньої основі виявляються значно простіше, ніж дискретних транзисторах. Тому ОУ стали сьогодніосновою елементної бази (свого роду «цеглинками») аналогової схемотехніки.

ОУ має дуже велике вхідний опір (в ідеалі - нескінченність), великий коефіцієнт посилення за напругою Кі (в ідеалі - нескінченність) і дуже малий вихідний опір (в ідеалі - нуль).

В іноземній літературі ОУ на схемах позначається рівностороннім трикутником, а згідно з нашими ГОСТами — прямокутником (рис. 4.1). Зліва розташовані входи, які позначені "-" і "+",справа-вихід. Напруга можна подавати на будь-який із входів, один з яких ("-") змінює полярність напруги (тому його назвали інвертуючим), інший ("+") – не змінює (неінвертуючий).

Щоб забезпечити можливість роботи ОУ як з позитивними, так і з негативними вхідними сигналами, слід використовувати двополярну напругу живлення. Для цього потрібно передбачити два джерела постійного струму, які, як показано на малюнку 4.1, підключаються до відповідних зовнішніх висновків ОУ. Зазвичай інтегральні операційні підсилювачі працюють з напругою живленняUПІТ = ± (12 -15), хоча є клас високовольтних ОУ зUПІТ = ± (50-70) В і клас низьковольтних

(±5 В), які напругою живлення стикуються з цифровими елементами. Надалі, розглядаючи схеми на ОУ, ми, як правило, не вказуватимемо висновків харчування.

Мал. 4.1. Позначення ОУ на принципових схемах

Внутрішня схемотехніка ОУ. Типова блок-схема ОУ представлена ​​малюнку 4.2.

Мал. 4.2. Блок-схема ОУ

Перший каскад будується на диференціальному підсилювачі з симетричним (або несиметричним) виходом і визначає найважливіші точнісні параметри ОУ, такі як коефіцієнт ослаблення синфазної складової, напруга зміщення нуля, вхідні струми і т.д. Два входи на вході ОУ розширює функціональні можливості підсилювача.

Зазвичай один каскад не забезпечує необхідного посилення, тому включають другий каскад - підсилювач напруги (зазвичай каскад з ОЕ). Третій, вихідний каскад є підсилювач потужності, виконується за схемою з ОК, забезпечує мале вихідний опір і узгоджує підсилювач з навантаженням.

Розглянемо якприклад принципову схему найпростішого ОУ 140УД8 (рисунок 4.3).

Рис.4.3. Принципова схема ОУ 140УД8.

Вхідний каскад виконаний за схемою диференціального підсилювача на n-p-n транзисторахVТ1 іVТ2. Джерело струму в ланцюзі емітера включений для придушення синфазної складової. Вихід каскаду симетричний.

Другий каскад теж є диференціальним підсилювачем, але його вихід несиметричний. Вихідний каскад (кінцевий) побудований на схемі з ОК, причому дільник сигналу виконаний на активних елементах (транзисторахVT7 іVT8), виконуючи функції посилення та зсуву рівня.

Еквівалентна схема ОУ. При побудові високоточних схем на ОУ необхідно враховувати вплив неідеальності схеми на параметри підсилювача. Для цього зручно уявити підсилювач у вигляді еквівалентної схеми (рисунок 4.4), що містить елементи неідеальності.

У ОУ з біполярними транзисторами на вході диференціальний вхідний опірRдиф для змінних струмів становить кілька мОм (а не ∞), а вхідний опір для синфазного сигналуRсф - кілька ГОм. Вхідні струми за змінною складовою, таким чином, дуже малі – кілька нА.

Мал. 4.4. Еквівалентна схема ОУ

Істотно більше значення мають струми, що протікають через входи ОУ і зумовлені зсувом транзисторів диференціального каскаду (Iсм + іIсм -) . Для універсальних ОУ ці струми становлять приблизно 10 нА…2 мкА.

Ці струми, навіть рівні, протікаючи по неоднаковим зовнішнім опорам R - см і R + см (а їх бажано підбирати однаковими), дають вихідний диференціальний сигнал, що становить помилку.

Помилка дає і неідеальність симетрії плечей. Ця помилка призводить до того, що при нульовомусигнал на вході вихідний сигнал не дорівнює нулю і, наведене на вхід, дає сигнал помилкиUсм0, який сам залежить від температури.

Сумарна помилка ОУ, таким чином, дорівнює

Uш=Ucм 0 + αtΔT+ (Icм + ·Rсм + +Iсм0 - ·Rсм0 - );αt=,

де αt - температурний коефіцієнт Uсм0.

Вихідний опірRвих ненульовий, може мати значенняRвих = 100 Ом, проте в схемах на ОУ його можна зменшити за допомогою паралельних негативних зворотних зв'язків.

Параметри ОУ. Параметри, що описують якість ОУ, можна розділити на три групи: точнісні, динамічні, електричні та гранично допустимі. Доточнісних параметрів відносяться: диференціальний коефіцієнт посилення по напрузіKU, коефіцієнт послаблення синфазного сигналу КОСС, напруга зміщення нуляUсм0, вхідний струмIсм, різницю вхідних струмів по інвертуючим і неінвертуючим входам ∆Iсм, коефіцієнти температурного дрейфу різниці вхідних струмів і напруги зміщення.

Дія всіх факторів призводить до того, що при постійних напругах на входах вихідна напруга ОУ відрізняється від розрахункового.

На малюнку 4.4. наведена амплітудна (передавальна) характеристика ОУ (залежністьUвихвідUвх). Сигнал подаємо на вхід, що інвертує. Робоча область лінійна і має дуже великий нахил, при цьому динамічний діапазон ОУ такий малий, що без ООС ОУ практично завжди знаходиться в насиченні (як кажуть, на «поличці»). Щоб розширити лінійний діапазон, потрібно вводити ООС.

Характеристика не проходить через 0, тобто, наприклад, приUвих=0 іUвх≠0 і відбувається зміщення реальної амплітудної характеристики. Причина розбалансу: розкидання параметрівелементів диференціального підсилювача та залежність цих параметрів від температури, коротше, несиметрія плечей диференціального підсилювача.

Мал. 4.5. Амплітудна характеристика ОУ (інвертуючий вхід)

Для того, щоб при нульовому сигналі на вході напруга на виході дорівнювала нулю, тобто для того, щоб передатна характеристика проходила через початок координат, передбачають заходи щодо компенсації напруги зміщення (балансування, корекція нуля, налаштування нуля). У деяких ОУ для компенсації напруги усунення передбачені спеціальні висновки.

Діапазон вихідної напруги, що відповідає майже вертикальній ділянці передавальної характеристики, називається областю посилення (динамічний діапазон) і становить дуже малу величину - мікровольти). Режим роботи, що відповідає цьому діапазону, називають режимом лінійного посилення.

У лінійному режимі

де КДІФ - коефіцієнт посилення диференціального сигналу. Зазвичай величина КДІФ у різних типах ОУ лежить у межах 20000…200000. Однак і в ОУ одного типу розкид КДІФ значний. Через розкид параметрів і малого динамічного діапазонуОУ не працюють без ООС, які розширюють динамічний діапазон і стабілізує параметри посилення.

Діапазони вихідної напруги поза областю посилення називаються областями насичення («полочки»), в яких встановлюються максимально можливі для даної ОУ напруги (UВИХ + ≈ +ЕК іUВИХ — ≈ — ЕК ). Ці режими не відповідають лінійному посиленню.

гранично допустимі параметри визначають допустимі режими роботи вхідних і вихідних ланцюгів. До них відносяться максимальний вихідний струмIндоп, максимальні значення синфазних(Uвх сф доп) та диференціальних (Uвх диф доп) вхідних напруг, максимальна вихідна напруга.

Динамічні параметри характеризують роботу підсилювача на високих частотах і режимі перемикання. Внутрішні ємності обмежують швидкість зміни вихідної напруги. Граничну швидкість зміни вихідної напруги називаютьшвидкістю наростанняVвих ( ), вона визначає можливість роботи ОУ в імпульсних пристроях.

Мал. 4.6. АЧХ ОУ

Швидкість наростання обмежує амплітуду вихідного синусоїдального сигналу на високих частотах і веде до зменшення коефіцієнта посилення. Для ОУ зазвичай дають як параметр частотуfТ, на якій коефіцієнт посилення ОУ дорівнює одиниці (рисунок 4.6).

Типи ОУ. За областями застосування ОУ можна класифікувати так:

- ОУ загального застосування;

— ОУ прецизійні (точні для застосування у вимірювальних ланцюгах).

У таблиці 4.1. наведено параметри деяких типів вітчизняних ОУ.

Таблиця 4.1. Параметри трьох типів ОУ: загального застосування, швидкодіючих та прецизійних

Параметр	ОУ загального застосування 140 УД6	ОУ 1544Д4А швидкодіючі	ОУ 140УД17 прецизійні
Кудіф, не менш, дБ
Кусинф, не більше, дБ
Uсм0, мВ	0,075
Iсм0, мкА	0,3	1,2	0,004
ΔIсм0, мкА	0,1	0,3	0,0038
Rвх диф, мОм
Uвих max, мВ
∆Uсм, мкВград
f1, МГц	0,4
Vн вих,Вмкс	2,5	0,1
Iпотр, ма	2,8

---