5.3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока отличаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы . Соответственно на входе, выходе и между каскадами у них отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. Обычно УПТ достаточно широкополосны и позволяют усиливать сигналы в диапазоне частот от до (рис. 5.4,а). Их амплитудная характеристика имеет вид, показанный на рис. .

По принципу действия и схемному выполнению УПТ делят на два основных вида: 1) усилители с непосредственными связями (прямого усиления); 2) усилители с преобразованием сигнала. Последние подразделяют: а) на усилители с промежуточным преобразованием (модуляцией) сигнала постоянного тока в переменное напряжение и усилением на несущей частоте с последующей модуляцией (У ПТ-МДМ); б) усилители, в которых входной сигнал воздействует на параметры автоколебаний автогенератора: амплитуду, частоту или фазу (усилители с управляемыми генераторами УПТ-УГ).

Рис. 5.4. Частотная (а) и амплитудная (б) характеристики УПТ

Иногда УПТ-УГ называют автогенераторными усилителями.

В них используют обычные схемы усилителей переменного тока, в том числе и с непосредственными связями. Основные схемные особенности касаются лишь выполнения цепей преобразования сигнала.

В связи с отсутствием реактивных элементов в цепях межкаскадной связи (связь только гальваническая) при построении УПТ с непосредственными связями приходится решать вопросы согласования напряжений на различных участках схемы и уменьшения изменений сигнала на выходе усилителя при неизменном сигнале на входе. Изменения напряжения на выходе УПТ при нулевом входном сигнале называют дрейфом нуля. Его значение обычно приводят к входу, для чего изменение выходного напряжения усилителя делят на его коэффициент усиления. Дрейф нуля показывает, на какую величину надо увеличить или уменьшить напряжение на входе усилителя для того, чтобы изменение выходного напряжения было равно его самопроизвольному изменению. Так как дрейф нуля может быть вызван как временными, так и температурными изменениями параметров отдельных компонентов, различают временной и температурный дрейфы. Их оценивают соответственно в или , причем временной дрейф измеряют при неизменной температуре окружающей среды. В УПТ дрейф нуля находится в диапазоне от единиц и даже сотен .

В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в основном используют интегральные операционные усилители. По конструктивному выполнению они являются законченными высокостабильными широкополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.

Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный компонент с определенными параметрами.

Условные обозначения ОУ приведены на рис. 5.5, а, б. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (показывается справа) и два входных (изображаются с левой стороны). Знак или характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии О, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, — неинвертирующим.

Рис. 5.5. Условное обозначение ОУ: а - без дополнительного ноля; б - с дололншельными полями; NC — выводы балансировки; FC - выводы частотной коррекции; U — выводы напряжения питания; вывод ненесущей логической информации; О У общий информационный вывод, - — корпус

Второй вывод, общий для обоих входов и выхода, часто не показывается. Это общая информационная шина, которая на принципиальных схемах иногда показывается в виде . Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 5.5, б).

Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно одной общей шины, относительно которой снимается выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.

Общее представление о схемотехнике ОУ дает рис. 5.6, а, на котором приведена упрощенная схема ОУ (не показаны цепи защиты и второстепенные элементы). На входе ОУ установлен каскодный дифференциальный каскад на транзисторах , аналогичный каскаду на рис. 4.36, а. К его высокоомному выходу подключен усилительный каскад на транзисторе , выполненный по схеме с ОЭ. Выходной каскад собран на транзисторах VT1O, , имеющих разную электропроводность. Они включены по схеме с ОК. Для увеличения сопротивления нагрузки каскада на транзисторе в цепь его коллектора включен управляемый источник тока ИТЗ, а выходной каскад подключен через дополнительный эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе с высокоомной динамической нагрузкой (ИТЗ). Управляемые источники тока , ИТЗ взаимосвязаны, и выходной ток одного является входным током другого. Благодаря этому обеспечивается хорошая временная и температурная стабильность выхода сигнала. ОУ имеет внутреннюю частотную коррекцию, выполненную с помощью конденсатора . Конденсатор создает отрицательную обратную связь в каскаде на транзисторе .

Рис. 5.6. Упрощенные принципиальные схемы ОУ (а)эквивалентная схема цепи частотной коррекции (б):

Так как сопротивление конденсатора уменьшается при увеличении частоты, то глубина ОС повышается, а коэффициент усиления уменьшается. Эквивалентная схема этой части усилителя показана на рис. 5.6, б. В ней выходное сопротивление дифференциального каскада на транзисторах — идеализированный усилитель, имеющий такой же коэффициент усиления, как каскад на фаизисторе .

Частотная коррекция необходима для того, чтобы устранить , которые могут возникнуть при введении ОС. Внутренней коррекции не всегда бывает достаточно для обеспечения устойчивости. Поэтому иногда ее дополняют внешними цепями коррекции. Подключая к выводу 8 дополнительный навесной конденсатор можно изменить частотную коррекцию и АЧХ усилителя и устранить автоколебания. Причем если соединен с общей шиной, то уменьшается частота, с которой начинается снижение коэффициента усиления. Если конденсатор включить между выводами на рис. 5.6,а), то появится положительная ОС, которая уменьшит глубину отрицательной ОС, осуществляемой через конденсатор . Соответственно увеличится скорость нарастания выходного напряжения и повысится частота, на которой начинается снижение усилителя.

Рис. 5.7. Упрощенная принципиальная схема ОУ

Для введения цепей коррекции требуются принципиальная схема усилителя и четкое представление о том, как корректирующие цепи меняют АЧХ и ФЧХ усилителя, причем для обеспечения устойчивости применяются корректирующие цепи интегрирующего (цепи с конденсатором ) и дифференцирующего типов (см. § 6.3, § 6.4) (цепь с конденсатором ). При равенстве постоянных времени этих цепей частотная коррекция у ОУ отсутствует.

У усилителя предусмотрена возможность проведения балансировки дифференциального каскада. Для этого для эмиттеров транзисторов сделаны выводы 2, 5. К ним подключается регулировочный резистор , подвижный вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания. Перемещением подвижной части достигается небольшое изменение токов покоя плеч дифференциального каскада. В результате меняется выходное напряжение. При определенном положении движка можно получить , равное нулю (относительно общей шины, являющейся нулевой точкой двух одинаковых источников питания с напряжениями ). Внешняя балансировка снижает требования к технологии изготовления ОУ и улучшает характеристики устройств, к которым эти ОУ применены, но при этом увеличивается количество навесных компонентов.

Вариант построения ОУ показан также на рис. 5.7. Он содержит два последовательно включенных дифференциальных каскада на транзисторах , каскад на транзисторе и выходной эмиттерный повторитель (усилитель мощности) на транзисторах . Для транзистора каскад на транзисторе представляет собой эмиттерный повторитель.

Соответственно напряжение на выходе эмиттерного повторителя повторяет потенциал коллектора . Так как в цепь эмиттера транзистора включен генератор тока , то ток транзистора не зависит от входного напряжения базы. Соответственно ток транзистора , определяемый источником тока , остается неизменным. При нулевом входном сигнале токи транзисторов равны и . При появлении сигнала потенциал эмиттера транзистора меняется в соответствии с ним, а ток транзистора остается неизменным. Транзистор выполняет функции защиты.

Характерной особенностью данного ОУ является то, что токи покоя всех каскадов определяются током дополнительного управляющего вывода 1. От значения зависит ток источника тока , а соответственно токи источников . Задав большое значение I получим усилитель, в котором усилительные каскады работают при больших статических токах. При этом обеспечивается большая скорость нарастания выходного напряжения, получается лучшая частотная характеристика, но увеличиваются временной и температурный дрейфы нуля. Для УПТ желательно иметь малые токи у активных компонентов, так как при этом меньше разогрев компонентов и невелико влияние разброса их параметров. Поэтому при создании УПТ следует брать низким. Таким образом, характеристики усилителя можно перестраивать изменением управляющего тока Один и тот же ОУ может работать как при малой потребляемой мощности с хорошей характеристикой по постоянному току, так и при большой потребляемой мощности с широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного сигнала.

ОУ, имеющие дополнительный управляющий вход, сигнал на котором определяет важнейшие параметры усилителя, получили название программируемых.

Ток управляющего входа может задаваться или с помощью резистора на рис. 5.7), или с помощью дополнительного внешнего источника тока, причем изменение , а также входного сопротивления, потребляемой мощности, быстродействия ОУ практически не отражается на значении его коэффициента усиления по напряжению. Значения обычно берут в пределах единиц — сотен . Данный усилитель также имеет внутреннюю коррекцию, выполненную с помощью конденсатора , и имеет выводы 2, 6 для введения внешней коррекции.

Промышленностью выпускаются программируемые ОУ типа .

Из приведенных схем видно, как используются рассмотренные в гл. 4 усилительные каскады для построения сложных многокаскадных устройств, причем характерной особенностью большинства типов ОУ является то, что на их выходе установлен усилитель мощности, выполненный на эмиттерных повторителях.

Это обеспечивает получение низкого выходного сопротивления, которое у маломощных ОУ оценивается в 100— 500 Ом. Применение транзисторов с разной электропроводностью позволило обеспечить нормальную работу различных типов ОУ при изменении напряжений питания от до 15 В, например ОУ . У отдельных ОУ в состав схемы введены компоненты, обеспечивающие защиту от короткого замыкания на выходе. В табл. 5.3 показаны схемы включения наиболее распространенных ОУ с указанием значений рекомендуемых навесных компонентов.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на: ОУ общего применения, предназначенные для использования в аппаратуре, где к параметрам усилителей не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента; б) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления; в) быстродействующие, которые имеют большую скорость изменения выходного напряжения до и используются для построения импульсных и широкополосных устройств. Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее , которые удобно использовать в батарейной аппаратуре.