Операционный усилитель. Лекция.
статья на тему

                     Операционный усилитель

Лекция.

П.Е.Евдокимов, преподаватель физики и электротехники.

       Быстродействующие операционные усилители (ОУ) находят широкое применение во многих областях телевизионной техники. Это драйверы на входе АЦП, сумматоры токов на выходе ЦАП, прецизионные усилители и сумматоры сигналов, дифференциальные усилители и активные фильтры, и многие другие устройства. Наиболее быстродействующие ОУ строятся по схеме с токовой обратной связью (ОУ ТОС), хотя в последнее время уже появились ОУ с обратной связью по напряжению (ОУ ОСН), практически не уступающие им по быстродействию [2, 3].

    ОУ ТОС имеют ряд преимуществ, которые определяются их структурной схемой (рис.1)

   Неинвертирующий вход схемы, являющийся входом БУ1, - высокоомный, а инвертирующий вход, являющийся выходом БУ1, - низкоомный. Благодаря этому шунтируется паразитная емкость инвертирующего входа. Кроме того, в схеме с отрицательной ОС сигнал обратной связи поступает на эмиттеры транзисторов, а не на базы, как в схеме с ОС по напряжению, благодаря чему задержка отработки сигнала ОС минимальна. Оба эти обстоятельства позволяют минимизировать фазовый сдвиг в петле ОС, что дает возможность получить максимально большую полосу пропускания при сохранении устойчивости схемы. Другой особенностью, отличающей ОУ ТОС от ОУ с ОСН, является слабая зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления схемы, что позволяет получать большую полосу пропускания  вплоть до коэффициентов усиления 10 и даже 20.

    По структурной схеме рис.1 выполнены монолитные микросхемы, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

   Вместе с приведенными достоинствами микросхемам ОУ ТОС присущи и недостатки, вытекающие из ее архитектуры. Так как входы схемы несимметричны, то разность входных токов достаточно велика, кроме того, достаточно велик ток покоя инвертирующего входа, являющийся разностью эмиттерных токов транзисторов входного буфера.

    Чтобы добиться компромисса, то есть улучшить статические параметры без существенного ухудшения динамических параметров, схему классического ОУ с дифференциальным входом можно видоизменить так, как это показано на рис.2. для ОУ ОСН.

    Т.е., между инвертирующим входом и выходом БУ1 включен БУ1' и резистор R. Как можно видеть из схемы на рис.2, входы схемы симметричны, и т.к. буферы БУ1 и БУ1' одинаковы,  то минимизируется разность входных токов, Uсм и существенно уменьшается входной ток покоя инвертирующего входа.

   По структурной схеме, изображенной на рис.2, построена монолитная микросхема К1432УД2 (таб.2). Там же представлена микросхема К1432УД5Б, построенная по классической схеме с дифференциальным каскадом на входе.

Таблица 2.          .

   В схеме К1432УД2 традиционный дифференциальный каскад заменен симметричными двухтактными эмиттерными повторителями, работающими в классе АВ, что дает большой выигрыш в скорости нарастания и времени установления выходного напряжения по сравнению с ОУ на базе классического дифференциального каскада. Это преимущество объясняется тем, что скорость нарастания в описанных выше схемах не ограничена фиксированным током дифференциального каскада, а пропорциональна величине перепада входного напряжения и ограничивается величиной резисторов Rf и Rg для ОУ ТОС или R для ОУ с ОС по напряжению.

   Когда необходимо особо качественное преобразование и усиление импульсных сигналов, предпочтительнее применять ОУ ТОС, т.к. она обеспечивает лучшее время установления вследствие быстрого затухания переколебаний на вершине импульса. ОУ ТОС также оказывается вне конкуренции по быстродействию при использовании его как сумматор токов на выходе ЦАП и вообще при работе в инверсном включении.

    Если же при достаточно высоком быстродействии необходимо обеспечивать хорошие статические параметры: малое напряжение смещения, малые входные токи, а также минимальную разность входных токов и высокий Кос, сф, что особенно важно для дифференциальных усилителей, то предпочтительно применять ОУ с обратной связью по напряжению.

    В тех случаях, когда требуется еще меньшие напряжения смещения и меньшая разность входных токов предпочтительна схема с классическим дифференциальным каскадом на входе, по которой выполнена микросхема КМ1432УД5. В ней второй каскад выполнен по классической структуре folded-cascode, что позволило сохранить приемлемое быстродействие при условии устойчивой работы с низкими коэффициентами усиления (1 и 2).

    Все микросхемы имеют выходной ток 30 мА, позволяющий работать на 50 и 75-омные кабели при амплитуде сигнала до 3 В.

   В тех случаях, когда требуется ограничение величины выходного сигнала, можно применять микросхему усилителя-ограничителя КМ1432УП2, имеющего полосу пропускания 70 МГц.

   Для решения задач, требующих высоких входных сопротивлений, в частности в фотоприемных устройствах, разработана микросхема быстродействующего широкополосного операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе КМ1432УД3. Благодаря новым схемотехническим и технологическим решениям ОУ КМ1432УД3 имеет существенно большее быстродействие, чем классические ОУ с ПТ. Реализация совмещенной технологии высокочастотных комплементарных биполярных СВЧ транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-п переходом позволяет получить достаточный запас по усилению на высокой частоте, а цепь внутренней коррекции позволяет использовать микросхему вплоть до единичного коэффициента усиления.

   Передача неискаженного гармонического или импульсного сигнала в коаксиальный кабель или емкостную нагрузку также легко решается с применением широкополосных быстродействующих буферных усилителей (БУ)

Структура операционных усилителей и их параметров

Название операционный усилитель (ОУ) получил от способности выполнять различные операции над сигналами с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.

Схемотехнически ОУ в основном выполняется по схеме усилителя постоянного тока с дифференциальным каскадом на входе и двухтактным – на выходе, обеспечивающим малое выходное сопротивление.

 Для современных интегральных ОУ характерны две структурные схемы: трехкаскадная и двухкаскадная. Трехкаскадная модель, разработанная в 60-х гг. прошлого столетия состояла из входного дифференциального усилителя работающего в режиме микротоков (десятки микроампер), промежуточного усилителя напряжения и компенсации напряжения сдвига и выходного усилителя, определяющего нагрузочную способность ОУ и не участвующего в формировании его коэффициента усиления.

Двухкаскадный ОУ разработан несколько позже после реализации на одной подложке высококачественных интегральных транзисторов разной проводимости. В таком ОУ первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального усилителя напряжения. Каскад сдвига уровняв такой схеме ОУ не нужен, так как выходные сигналы первого каскада, построенного по специальной схеме, находятся практически под нулевыми потенциалами. Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения работающего в режиме больших сигналов (близких по амплитуде к величине напряжения питания) и эмиттерного повторителя.

Таким образом ОУ – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к “идеальному усилителю” для которого характерно:

• бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (А® Ґ ),
• бесконечно большое полное входное сопротивление (Zвх® Ґ ),
• нулевое полное выходное сопротивление (Zвх® 0),
• равенство нулю выходного напряжения (Uвых = 0) при равных напряжениях на входах (Uвх1 = Uвх2),
• бесконечно широкая полоса пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено в полной мере, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Условное изображение усилителя приведено на рис. 72.

Если в ОУ неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал на выходе будет сдвинутым по фазе относительно него на 180° .

Если же инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то выходной сигнал будет совпадать по фазе с входным.

Основные параметры операционного усилителя

Коэффициент усиления без обратной связи (А). Коэффициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи обычно равен 103 – 107.

Входное напряжение сдвига (Uсдв.). Нежелательные напряжения, возникающие внутри усилителя, служащие причиной появления на его входе некоторого ненулевого напряжения при нулевом напряжении на обоих входах является следствием неточного согласования напряжений эмиттер–база входных транзисторов. Uсдв. называют входным, так как определяют его через то напряжение, которое надо приложить ко входам, чтобы на выходе установился 0 В. Обычно Uсдв. равно сотые доли – единицы милливольт.

Входное сопротивление Rвх. Сопротивление усилителя по отношению к входному сигналу. В зависимости от типа используемых транзисторов во входном ДУ Rвх лежит в диапазоне десятых долей – десятков МегаОм.

Выходное сопротивление Rвых. Обычно Rвых не превышает нескольких сотен Ом.

Максимальное выходное напряжение Uвых max. Его значение обычно на 1…5 В ниже напряжения питания.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Ко.сн.. Этот коэффициент определяется как отношение коэффициента усиления для дифференциального сигнала Ад к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ас и равен обычно 60…120 дБ (Ко.сн..= 20 lg Ад/ Аc).

Примечание:

Указанные выше параметры заданы для случая входных сигналов нулевой частоты и называются статическими параметрами.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vmax. Максимальная скорость изменения выходного напряжения достигает единиц – сотен В/мкс.

Время установления выходного напряжения tуст. Характеризуется временем в течение которого выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения ступенчатой формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

Параметры Vmax, tуст относятся к динамическим параметрам, так как они характеризуют ОУ при изменяющихся входных сигналах.

4. Типовые включения ОУ

Неинвертирующий усилитель

Схема усилителя приведенная на рис. 73. позволяет использовать ОУ в качестве неинвертирующего усилителя коэффициент усиления которого определяется внешними сопротивлениями R1, Rос.

Рис. 73. Неинвертирующий усилитель

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления данной схемы примем, что входное сопротивление ОУ , а его коэффициент усиления Ад также бесконечно большое т. е. Ад® Ґ . Следовательно можно считать, что Iсм ” 0 и поэтому и Uд ” 0 так как Uд= Uвых /Ад.

Имеем и . Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно Uвх + Uд, поэтому

.

Откуда

.

С учетом малости Uд можно записать

Uвх / R1 = (Uвых – Uвх) Rос

Решая полученное уравнение относительно

,

получим

.

Коэффициент Koc называют коэффициентом усиления замкнутого усилителя. Полученное выражение верно когда Ад >>Koc.

В первом приближении входное сопротивление неинвертирующего усилителя со стороны источника сигнала весьма велико

,

а выходное – мало

, где –

коэффициент обратной связи, Адо – коэффициент передачи ОУ на низких частотах.

Частным случаем неинвертирующего включения ОУ является схема повторителя напряжения (рис. 74), обладающего единичным усилением. Так как входное сопротивление усилителя велико, а выходное стремится к нулю, такой усилитель, являясь по существу высокоточным преобразователем импеданса, находит широкое применение в измерительных устройствах.

ЛИТЕРАТУРА:
1.Р.Н.Виноградов. Комплементарность биполярных транзисторов - преимущество полупроводниковой электроники. // “Электронная промышленность”, 1997 , N4.

2.Р.Н.Виноградов, Д.Л. Ксенофонтов. Быстродействующие операционные усилители с обратной связью по току и напряжению.// Chip News, 1996,N 8-9.