Операционные усилители


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




В.И. ПОЛЕВСКИИ, Е.Г. КАСАТКИНА






                ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ





Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия














НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.375.087.9(075.8)
      П491



Рецензенты:
канд. техн. наук, проф. Л.Г. Плавский д-р техн. наук, проф. Д.Л. Калужский


Работа подготовлена кафедрой электроники и электротехники для бакалавров неэлектротехнических направлений и специальностей вуза



       Полевский В.И.
П491 Операционные усилители: учеб. пособие / В.И. Полевский, Е.Г. Касаткина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013.- 27 с.

          ISBN 978-5-7782-2310-3

         В работе содержатся теоретические материалы по дидактической единице «Операционные усилители» дисциплины «Электротехника и электроника».







УДК 621.375.087.9(075.8)



ISBN 978-5-7782-2310-3

© Полевский В.И., Касаткина Е.Г., 2013
© Новосибирский государственный технический университет, 2013

        ВВЕДЕНИЕ

   Концептуальной основой модели оценки качества подготовки студентов на соответствие требованиям государственных образовательных стандартов (ГОС) служит оценка освоения всех дидактических единиц (ДЕ) дисциплины на уровне требований ГОС. Согласно этой модели подготовка студента оценивается по каждой ДЕ сравнением количества правильно выполненных заданий с критерием освоения. Подготовка студента считается соответствующей требованиям стандарта, если он освоил все контролируемые ДЕ ГОС. Для каждой образовательной программы показателем освоения дисциплины является доля студентов, освоивших все дидактические единицы дисциплины.
   Во всех используемых для оценки освоения ГОС аккредитационных педагогических измерительных материалах выполнение заданий требует знаний и умений в знакомой ситуации, т. е. задания рассчитаны на типовые действия.





        ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

   Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный усилитель постоянного тока (УПТ), обладающий специальными частотными характеристиками, полученными за счет внешней отрицательной обратной связи. Операционные усилители представляют собой широкий спектр аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, выполнять операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения, генераторы колебаний различной формы. В более сложных случаях ОУ можно встретить в схемах активных фильтров, АЦП и устройств выборки и хранения информации, усилителей мощности, преобразователей тока, напряжения и т. п.



3

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
   Впервые операционный усилитель был разработан для выполнения математических операций (сложения, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и др.) в аналоговых вычислительных машинах.
                           Первый ламповый ОУ появился в 1942 году (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода, расположенных в корпусе с октальным цоколем (рис. 1).
      Первые операционные усилители на транзисторах появились в 1959 году. Р. Мал-тер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикап-ный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров ОУ способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 году.
      В 1963 году Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ- цА702. Прибор, содержавший 9 транзисторов, использовался только в военных применениях.

   Первый доступный интегральный ОУ - цА709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965 году, что было не вполне доступно для массовой промышленной автоматики и других гражданских задач.
   В 1967 году National Semiconductor, куда перешел работать Видлар, выпустила LM101, а в1968 году Fairchild выпустило практически идентичный цА741 - первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/1A741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники.
   Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с р-п-переходом конец (1970-х) и с изолированным затвором (начало 1980-х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик.

Pwc. 1. Ламповый операционный усилитель K2-W

4

   Номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и в виде интегральных микросхем различных серий, например, отечественные -К140УД14, К140УД17, К153УД5, КМ551УД1, К574УДЗ и другие; США - 355AM, AD380JH, AD704AQ и другие в многокаскадном варианте с двумя входными электродами и одним выходным (рис. 2).

Р2С. 2. Внешний вид операционных усилителей

   На рис. 3 и 4 в увеличенном масштабе показана модификация ОУ (в двух исполнениях) типа AD704 (конфигурация контактов).

Рис. 3. Конфигурация контактов ОУ

Pwc. 4. Конфигурация контактов ОУ

AD7M tof '/isw
lu Svdlu)

5

   Микросхема AD704 содержит в одном блоке четырехъядерный элемент биполярных ОУ с низким энергопотреблением, высоким входным сопротивлением, малым температурным дрейфом и низкими шумовыми характеристиками. Применяется в вычислительной технике, в автоматизированных системах промышленных и иных устройств. Максимальный температурный рабочий диапазон от -55 °C до +125 °C.
   Существуют ОУ с повышенным выходным током, например, К157УД1, способные обеспечивать выходной ток до 100 мА.
   Низкочастотные варианты ОУ, с большими выходными токами могут быть использованы в схемах блоков питания, в схемах управления микродвигателями, в электронике автомобилей и т. п.

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
   Усилителями постоянного тока называют усилители, имеющие равномерную частотную характеристику в области низких частот.
   В сравнении с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя переменного напряжения УПТ имеет равномерную характеристику в области низких частот. В области высоких частот кривая АЧХ снижается за счет влияния паразитных емкостей транзисторов и схемы. С использованием специальных высокочастотных транзисторов область высоких частот АЧХ может достигать терагерцового (ТГц) уровня.
   Требования, которым должны удовлетворять УПТ:
   1)при отсутствии входного сигнала (£/вх) должен отсутствовать выходной сигнал ({7ВЫХ) (ток в нагрузочном устройстве);
   2)    усилитель должен быть реверсивным, (т. е. при изменении направления входного сигнала должен изменять направление выходной сигнал (ток в нагрузочном устройстве);
   3)    выходной сигнал должен быть пропорционален входному сигналу.
   Нарушение любого из требований приводит к погрешности в работе УПТ. В этой связи одним из недостатков в работе УПТ является дрейф нуля, т. е. изменение выходного сигнала при отсутствии изменения входного сигнала. Дрейф нуля существенно сказывается при усилении малых постоянных токов и напряжений, величина которых соизмерима с напряжением дрейфа (Цф). При U₁ = £/вх = 0, £/др = U2IKU, где Ui=Uₘ;Ku=U2 U1.


6

С учетом дрейфа нуля напряжение выхода имеет две составляющие и2 = U2 без дрейфа + ^др   Причины, вызывающие дрейф нуля
   1-     Старение элементов схемы (транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.).
   2-    Изменение температуры окружающей среды.
   3-     Температурная нестабильность характеристик элементов схемы УПТ   4.    Нестабильность источника питания.
   5.    Влияния внешних полей и др.
   Технические мероприятия для устранения дрейфа нуля
   1. Стабилизация питающего напряжения.
   2.     Использование более сложных схем для температурной стабилизации.
   3. Использование балансных схем УПТ.
   4.  Использование схем УПТ с цифровой обработкой сигналов.


БАЛАНСНЫЕ УПТ

   На рис. 5 в качестве примера представлена принципиальная схема однофазного балансного УПТ, где в плечи мостовой схемы включены биполярные транзисторы Т1 и Т2, резисторы R1 и R2 и части балансного резистора R. В одну диагональ моста включено сопротивление нагрузки Rн, в другую диагональ включен источник питания Ек. Е,.,. -источник смещения, который с резистором R₃ определяет рабочую точку УПТ. U1 - источник входного сигнала. U₂ - напряжение выхода.

Рис. 5. Принципиальная схема балансного УПТ

7

   На рис. 6 показана аналогичная схема дифференциального усилителя с двумя входами (мвх₁; иахД, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.
   На рис. 7 показана принципиальная схема балансного УПТ на двух биполярных транзисторах ВС 817-16 в редакторе Multisim.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель с двумя входами

Рис. 7. Принципиальная схема балансного УПТ в редакторе Multisim

   Работа УПТ

   При равновесии плеч моста RТ₁R₂ = RТ₂R₁ мост считается сбалансированным и ток в сопротивлении нагрузки равен нулю. RT ₁ и RТ₂ - сопротивления транзисторов Т1 и Т2. Транзисторы подобраны с одинаковыми характеристиками.
   •  На баланс моста не влияет изменение питающего напряжения.

8

   •    Баланс моста не нарушается при пропорциональном изменении сопротивления резисторов Rᵢ, Rг, Rтг, Rᵢ   •    Изменение температуры окружающей среды в данной схеме не вызывает ощутимого разбаланса моста, так как резистивные сопротивления изменяются на равные величины.
   При подаче на вход напряжения Uᵢ (рис- 8) баланс моста нарушается и в сопротивлении нагрузки появляется ток- Усиленный инвертированный (в противофазе) сигнал выхода U₂ полностью повторяет сигнал входа Uᵢ.

Рис. 8. Характеристики входа и выхода балансного УПТ

    Примечание. В представленной на рис- 7 схеме усилителя его параметры подобраны с расчетом графической соразмерности кривых рис- 8
    Балансные УПТ могут выполняться многокаскадными с использованием биполярных, полевых транзисторов, а также интегральных микросхем, специально предназначенных для этой цели
9

        АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ


КЛАССИФИКАЦИЯ ОУ
   В соответствии с ГОСТ 4.465-86 операционные усилители подразделяются:
   •     на универсальные (общего применения,), у которых коэффициент усиления по напряжению Kᵥ = 10³ - 10⁵; частота сигнала f, = = 1,5.. Л0 МГц;
   •     прецизионные (инструментальные), у которых Kᵥ > 0.5 ■ 10⁶ и гарантированные малые уровни дрейфа (Ссм < 0,5 мВ);
   •     быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения 6/вых > 20 В/мкс;
   •  регулируемые с током потребления < 1 мА;
   •  мощные и высоковольтные ОУ;
   •  многоканальные.


ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОУ

   Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних обратных связей (ОС), чему способствует большое значение коэффициента усиления, а также высокое входное и малое выходное сопротивление ОУ.

   На рис. 9 представлено условное графическое обозначение ОУ. Значки А, да показывают, что усилитель имеет значительный коэффициент усиления по напряжению (Ku ~ 10⁶), большое входное сопротивление (RBX ~ 10⁷ Ом), при этом его выходное сопротивление весьма низкое (RBbIX ~ 10² Ом).

Рис. 9. Условное графическое обозначение ОУ: Н - неинвертирующий вход, И - инвертирующий вход

10