Исследование ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Цель работы. Ознакомление с характеристиками и параметрами операционных усилителей без обратной связи и с обратными связями. Исследование применений операционных усилителей в качестве избирательных усилителей, сумматоров, интеграторов и дифференциаторов.
Краткие теоретические сведения
Характеристики и параметры операционных усилителей
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами при работе с обратными связями.
В настоящее время промышленность выпускает операционные усилители второго и третьего поколений, построенные по двухкаскадной схеме. Эти ОУ по своим основным параметрам значительно превосходят операционные усилители первого поколения, создаваемые по трехкаскадной схеме.
Основу всех ОУ составляют дифференциальные каскады. Первый каскад обеспечивает коэффициент усиления, достигающий нескольких сотен тысяч и единиц миллионов. Входной каскад, в котором часто используются полевые транзисторы, обеспечивает входные характеристики ОУ, в частности его высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или АВ). Он служит для согласования высокого выходного сопротивления первого дифференциального каскада ОУ с низкоомным нагрузочным устройством. Поэтому ОУ имеет низкое выходное сопротивление. Кроме того, в состав современных ОУ входят цепи защиты по входу от перенапряжений и по выходу от превышения выходного тока.
В настоящее время операционные усилители, изготовляемые по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми аналоговыми устройствами. ОУ широко применяются не только в усилителях, но также в различных генераторах, преобразователях, стабилизаторах напряжения, компараторах, источниках эталонных напряжений, активных фильтрах, электронных ключах и т. д.
Широкие функциональные возможности при небольшом числе стандартных типов ОУ, выпускаемых промышленностью, достигаются за счет включения разнообразных внешних цепей обратных связей. Наибольшее распространение получили интегральные полупроводниковые ОУ, обладающие наименьшими габаритами и массой, способные работать в диапазоне температур от - 60 до +125°С. Они имеют коэффициент усиления 
и более при усилении сигналов частотой от нуля до единиц мегагерц. На работу подобных ОУ весьма слабо влияют такие дестабилизирующие факторы, как изменения температуры и питающего напряжения. Современные ОУ относительно дешевы и доступны для широкого применения, что обеспечивается их массовым автоматизированным изготовлением. Надежность операционного усилителя, включающего в себя несколько сотен элементов и более, соответствует надежности отдельного транзистора, что обеспечивается интегральной технологией, при которой все элементы (транзисторы, диоды, резисторы и др.) и соединения между ними выполняются в едином технологическом цикле. Как показывает практика, срок службы хорошего полупроводникового интегрального ОУ может превысить 20 лет. На рис. 1а приведено условное обозначение операционного усилителя. Как видно, ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход является неинвертирующим, так как напряжение на нем и выходное напряжение совпадают по фазе.
Выводы, к которым подключаются источники питающего напряжения 
и 
, а также вспомогательные цепи на принципиальных схемах обычно не обозначают. При необходимости выводы ОУ, к которым подключаются, например, источники напряжения, изображают так, как показано на рис. 1б. На рис. 2 изображена одна из важнейших характеристик - амплитудная (передаточная) характеристика ОУ, представляющая собой зависимость 
при нулевой частоте. Кривая 1 соответствует подаче входного напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 - на неинвертирующий вход. Эти характеристики получают при подаче входного напряжения на один из входом при отсутствии напряжения на другом входе.
Наклонный (линейный) участок кривых подчеркивает линейность зависимости . Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму работы ОУ, при котором входное напряжение выходит за пределы линейного участка передаточной характеристики.
Значения исходного напряжения 
и 
, характеризующие эти участки, обычно на 1 - 2 В меньше напряжения питания.
Рис. 1. Условное графическое обозначение операционного усилителя без источников питания (а) и с источником питания (б)
| 
Рис. 2. Амплитудная (передаточная) характеристика ОУ
|
Операционный усилитель характеризуется теми же параметрами, что и другие усилители. Знание параметров интегральных ОУ позволяет быстро и грамотно спроектировать различные электронные блоки и устройства, а также предотвратить выход их из строя, т. е. работу в недопустимых режимах.
Современные ОУ имеют следующие основные параметры:
1. Коэффициент усиления Ки. Представляет собой отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему его приращению входного напряжения. В современных ОУ КИ при нулевой частоте достигает значений от десятков и сотен тысяч до нескольких миллионов. По углу наклона линейного участка амплитудной характеристики определяют коэффициент усиления.
Коэффициент усиления ОУ зависит от изменения напряжения питания, тока нагрузочного устройства, температуры окружающей среды. По этой причине ОУ (за исключением компараторов) не применяют без цепей внешней обратной связи, которые стабилизирует коэффициент усиления.
2. Напряжение смещения Uсм. Определяется входным напряжением, при котором выходное напряжение равно нулю (рис. 2). Напряжение смещения появляется вследствие разброса параметров элементом ОУ или изменений режимов работы входных транзистором за счет рассогласования во входных цепях ОУ. Обычно в ОУ широкого применения Uсм ==5-20мB. Напряжение смещения зависит от температуры и напряжения источника питания. Изменение Uсм в зависимости от температуры для ОУ широкого применения составляет примерно 50 мкВ/град. Для устранения напряжения смещения на входе ОУ вводят специальные электрические цепи.
а
| 
б
|
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика ОУ (а), характеристики Uвых(t) к объяснению параметра ОУ - скорости нарастания выходного напряжения VUвых (б)
3. Входной ток Iвх. Это ток во входной цепи ОУ, который может составить 0-100 мкА. Его необходимо учитывать при подключении к обоим входам ОУ внешних электрических цепей. Если сопротивления внешних электрических цепей по инвертирующему и неинвертирующему входам неодинаковые, то разность падений напряжений на них вызовет дополнительные напряжения, складывающиеся с напряжением смещения. Для исключения этого сопротивления этих выводов стремятся сделать равными.
4. Входное сопротивление Rвх. Различают входные сопротивления для дифференциального сигнала (Rвх.д) и син фазного сигнала (Rвх.сф) Для получения большего входного сопротивления первый каскад ОУ выполняют на полевых транзисторах; Rвх.д имеет значение от нескольких килоом для биполярных транзисторов до нескольких единиц и десятков мегаом для полевых транзисторов, a Rвх.сф>100 МОм.
5. Выходное сопротивление Rвых. Это сопротивление, измеренное со стороны нагрузочного устройства, представляет собой выходное сопротивление выходных каскадов ОУ, построенных на эмиттерных повторителях. Значения Rвых =20-2000Ом.
Усиление сигналов различных частот определяется амплитудно-частотной характеристикой ОУ (рис. 3а), а усиление импульсных (обычно прямоугольных) сигналов скоростью нарастания выходного напряжения (рис. 3б). В соответствии с этим вводят динамические параметры ОУ:
1) частоту срезa fср, значению которой соответствует снижение модуля коэффициента усиления ОУ в 
раза (3 дБ);
2) частоту единичного усиления fт, при которой модуль, коэффициента усиления ОУ уменьшается до единицы (для современных ОУ fт=15-20 МГц);
3) максимальную скорость нарастания выходкого напряжения VUвых определяющую наибольшую скорость изменения выходного напряжения ОУ (рис. 3б) при воздействии прямоугольного входного импульса; скорость нарастания определяется как отношение ∆UВЫХ к ∆t (для современных ОУ VUвых=0,1-100 В/мкс);
4) время установления tуст, определяющее изменение выходного напряжения ОУ от уровня 0,1 (рис. 3б) до уровня 0,9 от установившегося выходного напряжения при воздействии на вход прямоугольного импульса (для ОУ широкого применения tуст=0,05-2 мкс).
Одним из важных достоинств ОУ является подавление синфазных сигналов. Поэтому ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазных сигналов Коссф=201 g(Ксф/Ки) (для ОУ общего назначения
Коссф=70-120 ДБ).
Выпускаемые в настоящее время интегральные ОУ классифицируют по следующим группам:
- ОУ общего назначения, составляющие наиболее многочисленную группу универсальных ОУ;
- прецизионные ОУ, позволяющие поддерживать с высокой точностью большой коэффициент усиления Ки; они имеют высокое входное сопротивление и малое напряжение смещения (Uсм≤0,5мВ); типичным прецизионным ОУ является интегральная микросхема 153УД5;
- быстродействующие ОУ, характеризующиеся повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления; они имеют частоту единичного усиления 15 - 20 МГц (например, ОУ 140УД10 и КР544УД2);
- микромощные ОУ, потребляющие наименьшую энергию от источника питания (например, ОУ 140УД12, Iпотр < 0,18 мА при Uи.п=±6В). Наиболее широко используются ИМС серий 140 и 153.
Операционные усилители рассчитаны на применение симметричных разнополярных источников питания напряжением от ±5 до ±27 В. В настоящее время чаще всего используют напряжения ±5 и ±15 В с допускаемым отклонением ±(5-10)%.
Применение подобных источников питания упрощает задачу компенсации смещения нуля ОУ и предотвращает появление ненужной постоянной составляющей тока в нагрузочном устройстве.
Рис. 4. Схема замещения ОУ.
Рис. 5. Схема инвертирующего усилителя (а) и инвертирующего усилителя с «выравнивающим» резистором (б)
Для анализа работы ОУ часто пользуются схемой замещения, изображенной на рис. 4. Входная часть схемы замещения определяется входным дифференциальным сопротивлением Rвх.д, a выходная часть содержит источник ЭДС Kи(f) Uвх и резистивный элемент с сопротивлением Rвых.
Для удобства расчетов устройств с ОУ вводят понятие идеального ОУ, у которого:
коэффициент усиления стремится к бесконечности в бесконечно широкой полосе частот;
входное дифференциальное сопротивление Rвх.д стремится к бесконечности;
выходное сопротивление Rвых стремится к нулю;
выходное напряжение равно нулю при нулевом входном напряжении.
