ЛЕКЦИЯ 9 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционными называются усилители, которые имеют два входа и, как правило, один выход и обладают очень большим коэффициентом усиления дифференциального сигнала и очень малым коэффициентом передачи синфазного сигнала. На электрических схемах операционный усилитель изображается следующим образом (рис. 9.1): рис. 9.1. Обозначение операционного усилителя Выводы операционного усилителя имеют следующее назначение. Входы операционного усилителя: верхний вход – не инвертирующий вход усилителя, нижний вход – инвертирующий вход (обозначается кружком). Входы коррекции параметров операционного усилителя: FC – цепи коррекции амплитудно-частотной характеристики операционного усилителя. NC – цепи балансировки операционного усилителя (компенсация напряжения смещения). В некоторых вариантах ОУ не подключены (No Connect). Справа вверху - выход операционного усилителя, +U, -U, 0U- цепи для подачи напряжения питания операционного усилителя. Обычно операционный усилитель питается от двух источников напряжения. Их выходные напряжения равны по модулю, но противоположны по полярности. Вывод 0U – для подключения общей шины 1 источников питания. Часто у операционных усилителей этого вывода не бывает. Упрощенное (функциональное) изображение операционного усилителя, которое используется наиболее часто, показано на вид (рис. 9.2). Рис. 9.2 В справочнике обязательно указываются номера выводов операционного усилителя в зависимости от их назначения. ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ У операционных усилителей рассматривают два вида входных сигналов. Если на оба входа операционного усилителя подан один и тот же сигнал, то такой входной сигнал называют синфазным (см. рис.9.3 а). Сигнал, поданный между входами операционного усилителя U 2U 1 , называют дифференциальным (см. рис 9.3. б). а б Рис. 9.3. Входные сигналы операционного усилителя Если на входы усилителя подано два разных сигнала (см.рис.9.4), то величины синфазного и дифференциального сигналов определяются по выражениям: 2 рис.9.4 U СФ U1 U 2 - синфазный сигнал. 2 U Д U1 U 2 - дифференциальный сигнал. 1.КУ – КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕЛЕЛНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СИГНАЛА – это очень большая величина (от десятков и сотен тысяч до миллионов у прецизионных усилителей). 2.КСФ - КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕЛЕЛНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА. Данный коэффициент стараются сделать как можно меньше. В справочниках дается коэффициент ослабления синфазного сигнала, который определяется выражением: M 20 lg КУ К СФ 3.еСМ – НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ, напряжение которое необходимо подать на входы операционного усилителя как дифференциальный сигнал, чтобы его выходное напряжение равнялось нулю. Если заземлить оба входа усилителя, то на его выходе нуля не получим. Объясняется это в основном не идеальностью входного каскада усилителя. На практике это можно рассматривать как подачу на вход усилителя дифференциального сигнала. Поэтому, напряжение смещения, при оценке его влияния, очень часто изображают в виде отдельного источника сигнала. Возможны два способа его включения (рис.9.5): рис. 9.5. Напряжение смещения операционного усилителя Пунктирной линией отмечен сам усилитель, а напряжение смещения находится как бы внутри его. 3 В справочниках задается модуль максимального значения напряжения смещения. Обычно, напряжение смещения достигает 1-10 мВ, бывает и 10100мкВ. Однако, есть операционные усилители, получившие название прецизионными, у которых напряжение смещения составляет десятки и единицы мкВ. Для устранения влияние напряжения смещения на выходной сигнал в операционных усилителях часто предусмотрены специальные цепи коррекции (цепи NC на рис. 9.1) Схема их подключения различна. Она приводится в справочной литературе. 4.ВХОДНЫЕ ТОКИ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ: - входной ток не инвертирующего входа; i ВХ - входной ток инвертирующего входа; i ВХ iВХ - разность входных токов. i ВХ i ВХ i ВХ Входной ток не инвертирующего входа - i ВХ и входной ток инвертирующего входа - i ВХ имеют одинаковое направление, величина их для обычных операционных усилителей единицы микроампер, а личина iВХ примерно на порядок меньше. Если операционный усилитель построен на полевых транзисторах с запертым p – n переходом, то входные токи имеют порядок единицы – десятки наноампер. Существуют операционные усилители, входные токи которых имеют порядок 10-15А. Операционные усилители с малыми входными токами выделяются в отдельный класс операционных усилителей. 5.ВХОДНОЕ СОПРОТИАЛЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Различают следующие виды входного сопротивления операционных усилителей: Входное сопротивление для синфазного сигнала RВХ .СФ U СФ iСР 4 Входное RВХ . ДИФ сопротивление для дифференциального сигнала U ДИФ i ВХ На практике RВХ СФ на порядок меньше RВХ ДИФ но в справочниках дается RВХ .СФ . Объясняется это тем, что при работе операционного усилителя напряжение между его входами ничтожно мало, а, следовательно, и мало влияние сопротивления между ними. 6.КОЭФФИЦИЕНТ ВЛИЯНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ - КП – это отношение изменения напряжения смещения операционного усилителя к вызвавшему это изменение изменению источника питания. КП еСМ U П 7.ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Обычно RВЫХ. выходное сопротивление операционного усилителя составляет десятки – сотни Ом. 8. МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ – это максимальная скорость увеличения выходного напряжения, когда на вход операционного усилителя подан дифференциальный сигнал максимально возможной величины в виде перепада (скачка) напряжения (рис. 9.6). Рис.9.6. Определение максимальной скорости нарастания выходного напряжения Максимальная максимальную скорость скорость нарастания нарастания отклика выходного и определяет напряжения. У быстродействующих операционных усилителей эта величина достигает 5 значения нескольких десятков вольт на микросекунду, и она всегда меньше чем меньше напряжение питания операционного усилителя. В справочниках указывают минимальное значение модуля этой величины при определенном напряжении питания. 10. МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМАЯ ВЕЛИЧИНА СИНФАЗНОГО ВХОДНОГО СИГНАЛА это диапазон допустимых значений синфазного сигнала. 11. МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМАЯ ВЕЛИЧИНА ДИФФЕРЕН- ЦИАЛЬНОГО СИГНАЛА– это максимальная разность между напряжениями инвертирующего и не инвертирующего входов операционного усилителя. 12. СОПРОТИВЛЕНИЕ НАГРУЗКИ операционного усилителя – это минимальное сопротивление, которое можно подключать к операционному усилителю. В справочниках иногда приводят максимальное значение тока, на выходе операционного усилителя. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Определяются амплитудно-частотной характеристикой операционного усилителя. Структурную схему операционного усилителя в общем случае, можно представить следующим образом (рис. 9.7): Рис. 9.7 Структура операционного усилителя Входной каскад операционного усилителя определяет входные его параметры. Промежуточный усилитель определяет коэффициент усиления дифференциального сигнала - КДИФ. Выходной каскад определяет выходные параметры операционного усилителя. Каждое из этих звеньев можно рассматривать как апериодическое звено первого порядка, т.е. АЧХ каждого звена имеет следующий вид (рис. 9.8). 6 Рис. 9.8 АЧХ апериодического звена первого порядка. Тогда, АЧХ всего операционного усилителя имеет три частоты среза и ее вид представлен на рис. 9.9. Рис. 9.9 АЧХ операционного усилителя. Из этого графика видно, представленной на рис.9.9. что у операционного усилителя с ФЧХ может иметь на некоторых частотах значения больше чем -1800. Причем на этих частотах значение АЧХ будет больше единицы. Сдвиг по фазе между входным дифференциальным сигналом и выходным сигналом усилителя, равный 1800 означает, что не инвертирующий вход усилителя и его инвертирующий вход поменялись местами. То есть, если с выхода усилителя на его инвертирующий вход есть обратная связь, то она стала положительной. Это может привести к самовозбуждению усилителя. Поэтому, АЧХ операционного усилителя стараются сделать таким образом, чтобы в диапазоне частот, в котором К ДИФ 1, угол наклона его АЧХ был - 20дб/дек (рис . 9.10). Рис. 9.10 Скорректированная АЧХ операционного усилителя. 7 Такая АЧХ называется скорректированной. В справочниках дается значение частоты 1, это частота единичного усиления операционного усилителя (на этой частоте значение амплитудно частотной характеристики усилителя равно единице). ИДЕАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ При расчете узлов на основе операционного усилителя на первом этапе расчета параметров его элементов пользуются моделью операционного усилителя, которая получила название - идеальный операционный усилитель. Операционный усилитель называется идеальным, если он обладает следующими характеристиками: 1. К ДИФ ; 2. К СФ 0 ; 3. iВХ i ВЫХ i ВХ 0 ; 4. RВЫХ 0 0 ; 5. еСМ 0 . 6. f Используя эти предположения, рассчитывают элементы проектируемого узла, а затем рассматривают влияние сделанных допущений на погрешности в обработке сводного сигнала. Причем влияние каждого допущения оценивают отдельно, считая остальные допущения справедливыми. Вопросы. 1.Что такое операционный усилитель. 2.Обозначения операционного усилителя на схемах. 3.Назначение выводов операционного усилителя. 4.Виды входных сигналов операционного усилителя. 5.Назвать и пояснить основные параметры и характеристики операционного усилителя. 8
