ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ, ПОСТРОЕННЫХ

Группа 214-ЭВТ, «Прикладная электроника». Изучить теоретический материал и
составить краткий конспект лекций
Раздел 3. Операционные усилители.
ЛЕКЦИЯ № 1
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИКРОСХЕМАХ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Современный операционный усилитель (ОУ) представляет собой микросхему, которая включает в себя несколько каскадов усиления сигнала,
при этом между каскадами отсутствуют разделительные конденсаторы, т.е.
существует непосредственная гальваническая связь между последовательной цепочкой каскадов усиления. Такие усилители с непосредственной
гальванической связью между каскадами называют усилителями постоянного тока (с таким же основанием можно было бы также назвать их усилителями постоянного напряжения, однако это не является общепринятым). В таких усилителях приращение постоянного напряжения на входе
U ВХ вызывает приращение постоянного напряжения на выходе
U В Ы Х,
усиленное в некоторое количество раз, которое равно коэффициенту усиления Ау , т.е. U ВХ  АУ  U ВХ
Операционный
усилитель имеет очень большой коэффициент усиле-
ния порядка ( АУ  104  106 ). Такая величина усиления, как правило, слишком велика для обычного усилительного каскада. Для того чтобы построить схему усилителя с заданным коэффициентом усиления, к операционному усилителю подключают цепь отрицательной обратной связи.
Сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает с выхода ОУ
на его вход в противофазе с входным сигналом (со знаком минус) и, следовательно, вычитается из него. Отрицательная обратная связь (ООС)
уменьшает коэффициент усиления схемы до необходимой заданной величины. Кроме того, как будет показано ниже, ООС стабилизирует коэффи1
циент усиления, а также снижает нелинейные искажения сигнала, порожденные усилительными каскадами.
Упрощенная блок-схема внутреннего строения О.У. приведена на
рис. 1.1. Входной каскад О.У. - это всегда дифференциальный усилитель,
который как известно, имеет два входа. Соответственно и операционный
усилитель имеет два входа, которые получили названия: «инвертирующий вход» и «неинвертирующий вход». Входной сигнал можно подавать
на любой из этих двух входов.
Различие состоит в том, что при подаче
положительного приращения напряжения на неинвертирующий вход мы
получим на выходе положительное (неинвертированное) приращение
напряжения, а при подаче положительного приращения напряжения на инвертирующий вход мы получим на выходе отрицательное (инвертированное) приращение напряжения.
Рис.1.1. Блок- схема внутренней структуры операционного усилителя.
После входного дифференциального каскада следует второй усилительный каскад. Это может быть как дифференциальный каскад, так и
каскад с общим эмиттером. При построении О.У. часто применяют каскады с активной нагрузкой для получения максимального усиления в одном
каскаде. В схеме О.У. имеется также специфический каскад сдвига уровня
постоянного напряжения. Задача этого каскада заключается в том, чтобы
сбалансировать распределение напряжений в схеме таким образом, чтобы
2
при нулевых напряжениях на
входах усилителя выходное напряжение
также было бы равно нулю. После каскадов основного усиления и каскада
сдвига уровня следует выходной (оконечный) каскад, который имеет низкое выходное сопротивление. В качестве выходного каскада нередко применяют эмиттерный повторитель, который характеризуется низким выходным сопротивлением.
При применении О.У. для построения разнообразных схем не обязательно знать его внутреннее устройство, электрическую схему, технологию его изготовления. ОУ обычно рассматривают как некоторый компонент схемы - активный электронный прибор, обладающий некоторым
набором свойств, и характеризующийся некоторым набором параметров,
которые приводятся в справочниках.
Операционный усилитель обозначают на принципиальной электронной
схеме в виде треугольника с выводами, как это показано на рис.1.2.
Выводы входов и выхода обязательно изображают на чертеже, их назначение очевидно: ввод и вывод сигналов, подключение цепей обратной связи.
Выводы питания иногда не изображают, подразумевая, что они существуют и подключены к источникам питания обычным стандартным образом.
Выводы «частотная коррекция» служат для подключения цепочек, корректирующих амплитудно - частотную и фазово-частотную характеристики О.У. с целью обеспечения его устойчивой работы в определенном диапазоне значений коэффициентов обратной связи. В некоторых типах усилителей выводы
отсутствуют. Такие усилители имеют внутреннюю кор-
рекцию, встроенную в саму микросхему, и не требуют внешних корректирующих цепей. Если же микросхема имеет выводы «частотная коррекция»,
то параметры корректирующей цепи и схема подключения элементов корректирующей цепи обычно приводятся в справочниках.
3
Рис.1.2. Обозначение операционного усилителя на схеме. Выводы ОУ.
Выводы «балансировка» предназначены для подключения выводов потенциометра (т.е. переменного сопротивления). При этом центральный вывод потенциометра подключается к источнику питания. Индивидуальные
рекомендации по подключению цепи «балансировка» даются в справочнике для конкретной микросхемы. Конечная цель балансировки обычно
состоит в том, чтобы достичь установки нулевого постоянного напряжения
на выходе ОУ при нулевой разности постоянных напряжений на входах
ОУ. В некоторых типах усилителей выводы «балансировка» могут отсутствовать, в особенности, если в одном корпусе размещено несколько микросхем ОУ и количества ножек, т.е. контактов корпуса, достаточно лишь
только для размещения цепей питания, входов и выходов операционных
усилителей.
Рассмотрим пример размещения О.У. в стандартном корпусе. Для примера возьмем высокоточный (прецизионный) операционный усилитель типа К140УД17, размещенный в металлостеклянном корпусе круглой формы
(типа 301.8-2) и аналогичный О.У. КР140УД17 размещенный в прямоугольном
пластмассовом
корпусе
4
(типа
2101.8-1)
Рис.1.3. Расположение выводов операционного усилителя типа К140УД17 в круглом
металлостеклянном корпусе (слева), и операционного усилителя типа КР140УД17в
прямоугольном пластмассовом корпусе (слева), вид сверху.
На этих рисунках порядок номеров выводов располагается против часовой стрелки. Это соответствует ситуации, когда мы смотрим на микросхему сверху, т.е. со стороны корпуса. Со стороны выводов (ножек) отсчет
следует вести по часовой стрелке, начиная от ключа. Ключ – это выступ
или выемка на корпусе микросхемы.
Рассмотрим в предварительном порядке некоторые параметры операционного усилителя на примере микросхемы К140УД17А, (КР140УД17А)
Напряжение питания: +15В , -15В.
Входной ток:
не более 4 наноампер ( 4 109 А), эта величина очень
мала, вместе с тем, существуют усилители, которые имеют входные токи в
сотни раз меньшие, чем указанный выше.
Коэффициент усиления: не менее 200000
Частота единичного усиления: f1  0, 4МГц . Эта величина характеризует полосу пропускания усилителя. Усиление ОУ уменьшается при увеличении частоты и спадает до величины АУ  1 при частоте f1  0, 4МГц .
5
Максимальная
скорость
нарастания
выходного
напряжения
VU  0,1 В мкс (Вольт на микросекунду). Эта величина, довольно невысокая
у данного усилителя, характеризует скорость увеличения выходного
напряжения при подаче на вход скачка напряжения. Данная характеристика связана с полосой пропускания О.У.
Напряжение смещения, U СМ Этот параметр характеризует неточность
внутренней балансировки О.У. при отсутствии внешних цепей балансировки усилителя. Для данного ОУ К140УД17А величина U СМ составляет
не более 75 мкВ.
Поясним физический смысл этого параметра. Предположим что мы закоротили, т.е. объединили одним проводом входы операционного усилителя.
При этом разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Несмотря на это, напряжение, измеренное на
выходе О.У., не будет равно нулю вследствие некоторого дисбаланса элементов внутри микросхемы. Для того, чтобы напряжение на выходе стало
равным нулю необходимо между входами включить некоторый источник
напряжения, U СМ . Это напряжение называют напряжение смещения.
По известной величине напряжения смещения U СМ легко оценить величину погрешности усилителя U ВЫХ на выходе усилителя, который охвачен
отрицательной обратной связью и имеет коэффициент усиления КУ .
Эта погрешность равна U ВЫХ  КУ UСМ .
Для приближенной оценки напряжения смещения можно использовать
следующий простой метод. Построим усилитель с заданным достаточно
высоким коэффициентом усиления, например 1000. При нулевом входном
сигнале измерим напряжение дисбаланса на выходе U D , а затем разделим
его на этот коэффициент усиления, при котором проводились эти измерения. В результате мы получим величину напряжения дисбаланса, приведенную к входу U DВХ  U D K . Эта характеристика будет приблизительно
У
6
равна напряжению смещения. На практике при такой методике мы имеем некоторую погрешность, вызванную действием входных токов ОУ..
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений составляет
для данного ОУ не менее 106 дБ. Этот параметр был рассмотрен нами
ранее в разделе 2, и фактически равен отношению коэффициента усиления
дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Амплитуду синфазного сигнала можно определить как полусумму амплитуд двух синфазных сигналов, поданных на инвертирующий и неинвертирующий входы О.У. .
Приведенные здесь данные о параметрах О.У. взяты из справочника: «Интегральные
схемы. Операционные усилители, том1»,
Москва, изд. Фирма «физикоматематическая литература» в.о. «Наука», 1993г.
При практическом применении О.У. необходимо также обращать внимание на предельно допустимые параметры режимов схемы.
Для О.У типа К140УД17 приведены следующие величины:
Напряжение питания не менее 13,5 В. и не более 16,5 В.
Входное дифференциальное напряжение не более
5 В.
Входное синфазное напряжение
не более
10 В.
Сопротивление нагрузки
не менее
2кОм
Поясним последний параметр: если сопротивление нагрузки будет
менее 2 кОм, то выходной каскад О.У. будет перегружен, что может привести к недопустимым искажениям и к ухудшению параметров схемы.
Ввиду того, что микросхемы О.У. применяются в сочетании с цепью отрицательной обратной связи (ООС), приведем здесь соотношение
для расчета коэффициента усиления схемы, состоящей из усилителя с коэффициентом усиления АУ , и цепи ООС с коэффициентом передачи  .
7
Рис.1.4. Обобщенная схема усилителя, охваченного отрицательной обратной связи.
Рассмотрим соотношения, характеризующую схему рис.1.4.
U ВХ  U ВЫХ  U
(1.1)
U  АУ  U ВЫХ
(1.2)
Из (1.1) и (1.2) получим выражение для коэффициента усиления схемы
КУ 
АУ
U ВЫХ

U ВХ
1    АУ
(1.3)
ЛЕКЦИЯ № 2
СХЕМЫ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ, ПОСТРОЕННЫЕ
С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОСХЕМ ОПЕРАЦИОННЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ
Для того, чтобы построить усилитель с заданным коэффициентом усиления, необходимо охватить операционный усилитель отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент
усиления сигнала. Цепь отрицательной обратной связи передает часть
сигнала с выхода операционного усилителя на инвертирующий вход.
При этом существует два различных варианта подключения сигнала к
входу усилителя. Если сигнал подан на инвертирующий вход, получаем
выходной сигнал в противофазе по отношению к входному. Такой усили8
тель получил название «инвертирующий усилитель». Если сигнал подан
на неинвертирующий вход, получаем выходной сигнал в фазе по отношению к входному. Такой усилитель получил название «неинвертирующий усилитель» В зависимости от того, на какой из входов - на инвертирующий или на неинвертирующий поступает входной сигнал, характеристики усилителя будут различными.
2.1 Инвертирующий усилитель
Схема инвертирующего усилителя изображена на рис.2.1. В этой схеме источник сигнала Uс подключен к инвертирующему входу, он является источником напряжения и в идеальном случае имеет нулевое внутреннее сопротивление. Обратная связь образована цепью, состоящей из резисторов
RОС и R1 , которые составляют делитель напряжения.
Рис. 2.1. Схема инвертирующего усилителя.
Расчет коэффициента усиления в приближении идеального ОУ.
Идеальным операционным усилителем принято условно считать такой О.У., у которого коэффициент усиления бесконечно велик АУ   ,
входной ток iоу  0 , разность напряжений между входами U вх  0 .
Тогда, с учетом этих условий можно записать следующие уравнения:
U c  0  iвх  R1 ,
(т.к. U вх  0) .
9
(2.1)
iвх  ioc
(т.к.iоу  0) .
0  U вых  ioc Roc
(2.2)
(т.к. U вх  0) .
(2.3)
Из уравнений (2.1, 2.2 и 2.3 ) получим:
Uc
U
  вых ,
R1
Roc
отсюда следует, что коэффициент усиления схемы инвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью можно рассчитать по формуле:
K ос 
U вых
R
  oc .
Uc
R1
(2.4)
Из полученного выражения следует, что в приближении идеального
операционного усилителя коэффициент усиления схемы не зависит от
величины коэффициента усиления микросхемы 0У, а определяется
только величинами резисторов в цепи отрицательной обратной связи.
Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя:
Rвх  R1 .
(2.5)
Это достаточно очевидно, если учесть, что источник сигнала подключен к резистору R1 , а второй конец резистора R1 , подключенный к инвертирующему входу, фактически заземлен, так как U вх  0 .
Следует сделать ряд замечаний о практических критериях выбора резисторов в цепи отрицательной обратной связи. Цепь ООС подключена к
выходу ОУ и нагружает его. Обычно операционные усилители допускают
подключение к выходу нагрузки, величина сопротивления которой превышает некоторую минимально допустимую величину R H min , порядка
Rн min   2  5 кОм. Конкретные значения Rнmin приводятся в справочниках.
Как отмечалось выше, для схемы К140УД17 эта величина составляет
2 кОм. Исходя из этого, сопротивление нагрузки и сопротивление резистора обратной связи должны быть, по крайней мере, существенно больше
10
допустимой величины R H min . На практике величину резистора Rос обычно
выбирают в диапазоне от 10 кОм до нескольких сотен кОм.
Уточненное соотношение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя при условии, что величина усиления ОУ не бесконечно
велика, а конечна и равна АУ , имеет следующий вид:
K oc  
AУ   Roc  R1  Roc  
A R
1 У 1
 R1  Roc 
(2.6)
Эта формула более точна, чем формула (2.4) , причем формула (2.6)
переходит в формулу (2.4), если пренебречь единицей в знаменателе. Это
возможно, если выполняется условие AУ  R1 /( R1  Roc )
1 , т.е. A
1 , где
  R1 /( R1  Rос ) - коэффициент обратной связи в этой схеме.
В качестве упражнения оценим величину относительной ошибки,
которую мы совершим при расчете коэффициента усиления по формулам
(2.4) и (2.6) при следующих параметрах схемы:
Пусть Roc  100 ком, R1  10 ком, А  105.
По формуле (2.4) можно рассчитать:
K oc  10 .
Расчет по формуле (2.6) дает:
100
107
110


 9,998900121.
6
5 10
110

10
1  10
110
105 
K oc
Как видно из этого расчета, при замене модели реального 0У на модель идеального 0У величина ошибки чрезвычайно мала, и составляет порядка 0,01%. Она намного меньше ошибки, которая может быть вызвана
погрешностями номиналов резисторов.
11
2.2 Неинвертирующий усилитель. Схема изображена на рис. 2.2
Рис. 2.2 Схема неинвертирующего усилителя.
Цепь обратной связи образована резисторами Roc и R1.
Коэффициент обратной связи в этой схеме равен:

R1
.
R1  Roc
(2.7)
Коэффициент усиления этой схемы можно рассчитать, исходя из
уравнений
баланса токов и напряжений в схеме рис 2.2:
I R1 
U вх  U вх
.
R1
I oc 
U вых  U вх  U вх
.
Rос
(2.8)
(2.9)
При условии, что I оу  0 приравняем токи I R1  I oc , и получим:
U вх  U вх U вых  U вх  U вх

.
R1
Roc
(210)
При условии, что величина U вх  0 , ( т.е. в приближении идеального
12
О.У.), из последнего уравнения
получим следующие соотношения:
U вых U вх U вх
.


Roc
R1 R0c
K ос 
U вых R1  Roc
R

 1  oc .
U вх
R1
R1
(2.11)
Следует подчеркнуть, что выражение (2.11) существенно отличается
от выражения (2.4) , которое определяет коэффициент усиления инвертирующего усилителя.
Как следует из формулы 2.11 , коэффициент усиления неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы, тогда как для коэффициента усиления инвертирующего усилителя такого ограничения не
существует.
Более точное выражение для расчета коэффициента усиления схемы
можно получить, если учесть, что U вых   AУ  U вх и подставить в (2.10)
соотношение
Uвх  Uвых AУ ,
Тогда уточненное выражение для расчета коэффициента усиления неинвертирующего усилителя примет вид:
K ос 
U вых
AУ
.

U вх 1  A  R1
У
Roc  R1
(2.12)
Выражение для расчета коэффициента усилителя неинвертирующего
усилителя можно также получить другим способом из общего выражения
(1.3) для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:
K oc 
AУ
.
1   AУ
(2.13)
Учитывая, что в схеме рис. 2.2 величина  
13
R1
, из (2.13) получаем:
Roc  R1
K oc 
AУ
.
AУ  R1
1
Roc  R1
При условии, что AУ   
(2.14)
AУ  R1
 1 , можно пренебречь в знаменателе
Roc  R1
выражения (2.14) единицей. Тогда из (2.14) получим выражение (2.11).
Величину  A называют "петлевое усиление", т.е. это усиление при обходе петли обратной связи и возвращении в исходную точку. Петлевое усиление − важный параметр, характеризующий систему с обратной связью.
Выражение (2.14) является более точным, чем выражение (2.11). Относительная ошибка при замене (2.14) на (2.11) зависит от величины  A .
Легко показать, что при заданной величине  разница между коэффициентом усиления, рассчитанным по приближенной формуле (2.11) и по
точной формуле (2.14), уменьшается при увеличении собственного коэффициента усиления 0У.
Та, например, если Roc = 90 кОм, R1 = 10 кОм, то величина   0,1.
Расчет коэффициента усиления по формуле (2.11) дает результат K oc  10 .
При   0,1 расчет по точной формуле (2.14) дает следующие значения :
1000
 9 ,9009 ;
1  0 ,1  1000
при А = 1000
K oc 
при А = 10000
K oc 
10000
 9 ,990009 .
1  0 ,1  10000
Как видно, при увеличении коэффициента усиления микросхемы
разница между результатами расчета по приближенной и по точной формуле уменьшается.
14
Входное сопротивление схемы неинвертирующего усилителя.
Схема неинвертирующего усилителя относится к классу схем с параллельно-последовательной обратной связью. Напряжение с выхода схемы снимается параллельно и затем через обратную связь вводится на вход
усилителя последовательно с входным сигналом. При этом напряжение
обратной связи вычитается из входного напряжения. Данная ситуация иллюстрируется рис.2. 3.
Рис. 2.3. Схема прохождения сигнала обратной связи
За счет вычитания сигнала обратной связи из входного напряжения
величина напряжения на входном внутреннем сопротивлении Ri уменьшается с величины U вх до величины U вх :
U вх  U вх   U вых  U вх  A  U вх .
(2.15)
Отсюда следует:
U вх 
U вх
.
1  A
(2.16)
Следовательно, входной ток, протекающий через внутренний резистор Ri , равен
iвх 
U вх
Ri

U вх
.
1  A   Ri
(2.17)
Но это означает, что эквивалентное входное сопротивление схемы, изме15
ренное наблюдателем на входе схемы, будет равно:
Rвх экв 
U вх
 1  A  Ri .
iвх
(2.18)
Как видно из формулы 2.18 , оно возросло в 1  A  раз по сравнению
с внутренним входным сопротивлением схемы операционного усилителя без
обратной связи. Следует заметить, что здесь имеется в виду собственное
входное дифференциальное сопротивление
операционного усилителя .
На практике, если к входу ОУ подключен дополнительный резистор, соединенный с общим проводом, то входное сопротивление такой схемы будет меньше,
и его следует рассчитывать по формуле параллельного соединения входного
сопротивления ОУ и дополнительного резистора, подключенного параллельно
входу. ОУ.
О роли отрицательной обратной связи в стабилизации коэффициента усиления схемы усилителя.
Допустим, что величина коэффициента усилителя микросхемы, равная АУ , может изменяться на величину  АУ под действием дестабилизирующих факторов (например, при изменении температуры или напряжения питания). Оценим, как это скажется на величине коэффициента усиления схемы усилителя с обратной связью К ос :
 K oc 
dK oc
 AУ .
dA
(2.19)
Дифференцируя формулу Koc  AУ 1  АУ   по переменной АУ , получим:
Aу
dK oc
1
1
1




.
2
dAУ 1  AУ  
1  AУ   1  AУ   AУ
(2.20)
С учетом того , что до начала изменений величины АУ коэффициент усиления был равен согласно (2.13) величине К 0oc 
можно записать в виде:
16
AУ
1   AУ
, выражение (19)
 K oc  K 0oc 
 K oc
K 0oc
1
A
 У,
1  AУ  AУ
(2.21)
1
 AУ

.
1  AУ  AУ
Из (2.21) можно сделать вывод о том, что относительные изменения коэффициента усиления уменьшаются в 1  А  раз по сравнению с относительными изменениями величины усиления микросхемы   A A .
Как видно из полученных соотношений, при большом петлевом усилении
A это снижение может быть многократным. Следует заметить, что наряду
с уменьшением относительных нестабильностей снижаются также нелинейные искажения. Кроме того, как будет показано далее, полоса частот усиления
увеличивается при введении отрицательной обратной связи. При определенных условиях полоса частот увеличивается в 1  А  раз.
17