3.5. Применение операционных усилителей

Все разработанные к настоящему времени аналоговые ИС можно разделить на два типа — базовые (операционные усилители, компараторы, стабилизаторы напряжения) и специализированные, предназначение для решения одной задачи.

На ранних этапах развития электроники «кирпичиками», из которых собирались схемы, являлись транзисторы, диоды, резисторы и другие дискретные элементы. Сейчас «кирпичиками» являются разнообразные ИС. По цене стоимость дискретных элементов и ИС практически сравнялись. Современный этап развития электроники характеризуется тем, что при проектировании электронных средств различного назначения используют не дискретные элементы, а законченные функциональные элементы, выполненные на интегральных схемах. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплуатационные и надежностные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования. Разработка схем фактически сводится к разработке структуры, удовлетворяющей поставленным требованиям, выбору необходимых ИС и согласованию их входных и выходных характеристик.

Применительно к цифровым устройствам выбор ИС достаточно формализован и практически не представляет труда. В то же время выбор и применение аналоговых ИС достаточно специфичны и оставляют большой простор для творчества разработчика. Он должен знать схемотехнику и конструкцию ИС, свойства типовых схем и условия их применения, а также методы быстрой оценки основных характеристик разрабатываемого устройства.

Несмотря на различие элементной базы, функционального назначения и технологии изготовления, основой большинства аналоговых ИС является схемотехника дифференциального усилителя постоянного тока, на базе которой выполнены операционные усилители. Именно по этой причине операционные усилители являются наиболее массовым типом аналоговых ИС.

Рассмотрим несколько наиболее распространенных схем на ОУ.

3.5.1. Инвертирующий усилитель

Усилители на ОУ используют отрицательную обратную связь, поэтому есть несколько простых правил, которые определяют поведение такого усилителя. Следует воспользоваться тремя упрощающими предположениями о свойствах ОУ: коэффициент усиления ОУ без обратной связи и входное сопротивления бесконечно велики, выходное сопротивление равно нулю.

При анализе следует помнить, что большой коэффициент усиления по напряжению ОУ приводит к тому, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Из этого следует первое правило: ОУ усиливает разность напряжения между входами и за счет внешней схемы ООС передает напряжение с выхода на вход таким образом, что разность напряжений между входами практически равна нулю.

Входное сопротивление различных типов ОУ находится в пределах от мегаом до тысяч мегаом, входные токи — от долей наноампер до пикоампер. Это дает основание сформулировать второе правило: входы операционного усилителя токов не потребляют. Эти правила дают достаточную основу для анализа схем на ОУ.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Инвертирующий усилитель на ОУ

Анализируя эту схему с учетом сформулированных выше правил, можно показать, что при заземленном неинвертирующем входе ОУ напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что падение напряжения на резисторе R_ОС равно U_вых, а падение напряжения на резисторе R₁ равно U_вх. Если входные токи ОУ равны нулю, то U_вых/R_ОС=–U_вх/R₁, коэффициент усиления по напряжению

(3.7)

Знак «минус» показывает, что выходной сигнал инвертирован относительно входного (сдвинут на 180°).

Данная схема является усилителем постоянного тока, её АЧХ представлена на рис. 3.7.

В этой схеме реализована параллельная ООС по напряжению, поскольку сигнал ООС оказывается включенным не последовательно с входным сигналом, а подается параллельно с ним на один и тот же вход.

Как известно, параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя. В схеме потенциал точки соединения R₁ и R_ОС всегда равен нулю и эту точку называют «виртуальный ноль» (мнимая земля). Следовательно, входное сопротивление схемы

R_вх=R₁. (3.8)

Выходное сопротивление схемы мало и равно долям ома.

Таким образом, недостатком схемы является малое входное сопротивление, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению, в которых резистор R₁ как правило, бывает небольшим.

Достоинством схемы является малое значение синфазного напряжения, практически равное нулю. Тот факт, что коэффициент усиления определяется всего лишь соотношением двух сопротивлений, делает применение инвертирующего усилителя очень гибким.

Практическое использование усилителей на ОУ имеет ряд особенностей. ОУ должен находиться в активном режиме, его входы и выходы не должны быть перегружены. Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал станет равным напряжению насыщения (обычно его величина меньше напряжения питания на 2 В).

В схеме ОУ обязательно должны быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае ОУ обязательно попадет в режим насыщения.

Многие ОУ имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи.

Из-за наличия входного напряжения смещения, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе U_вых=K_UU_см. Для усилителя, имеющего коэффициент усиления, равный 100 и входное напряжение смещения 2 мВ, выходное напряжение смещения может достигать значения ±0,2 В. Для решения этой проблемы нужно использовать цепи внешней коррекции нуля (используя ОУ с такими возможностями), выбирать ОУ с малым значением смещения. Если усиление постоянного тока не нужно, то можно использовать разделительные конденсаторы в последовательной цепи передачи входного и выходного сигналов.

Рис. 3.12. Усилитель на ОУ с компенсационным резистором

Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (U_см=0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения I_вх создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R₁||R_ОС, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R₁, а поэтому он порождает смещение выхода U_см=I_смR_ОС.

Для уменьшения ошибок, вызванных входным током смещения, используют включение дополнительного резистора между неинвертирующим входом и общим проводом (рис. 3.12). Величина этого резистора должна быть равна R₂=R₁||R_ОС. Для приведенного примера R₁=10 кОм, R_ОС=100 кОм, R₂=9,1 кОм.

С целью уменьшения токов смещения и их температурных дрейфов в практических схемах входные сопротивления имеют типичное значение от 1 до 100 кОм.

Резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, чтобы существенно не нагружать выход, и вместе с тем не слишком большими, чтобы входной ток смещения не порождал ощутимые сдвиги напряжения. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ООС с сопротивлением от 2 до 100 кОм. Из этого следует, что практическое значение максимального коэффициента усиления инвертирующего усилителя равно 100.

Инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением. Предыдущая схема имеет один недостаток — соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается. Допустим, нам нужен усилитель с K_U=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R₂=1 МОм, а R₁=10 кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.

R1

U_вх

U_вых

R2 R3

R4

Рис. 3.13. Инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением

В таких случаях можно применить схему рис. 3.13, для которой коэффициент усиления считается по формуле

(3.9)

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R₁ можно увеличить, а значит, и повысить входное сопротивление усилителя.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления (рис. 3.14). Введем некую переменную α, которая может принимать значения от 0 до 1 в зависимости от поворота движка переменного резистора R2. Тогда коэффициент усиления можно определить так:

R1 R_ОС

U _вх

R2 U_вых

Рис. 3.14. Инвертирующий усилитель с изменяемым коэффициентом усиления

(3.10)

Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.