Схемотехника и характеристики операционных усилителей

Основным элементом современных устройств аналоговой обработки сигналов является операционный усилитель (ОУ). Это усилитель постоянного тока, выполненный в виде монолитной интегральной микросхемы (ИМС) и обладающий большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Первоначально усилители с подобными характеристиками использовались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных устройствах, отсюда их название.

Современные ОУ имеют достаточно сложную внутреннюю структуру, знание которой в общих чертах необходимо для того, чтобы выбирать параметры элементов внешних цепей, понимать назначение цепей коррекции, анализировать схемы с нестандартным включением усилителя, определять допустимые замены, отыскивать неисправности.

Схемотехнические приемы, использующиеся в ОУ, характерны и для других интегральных схем, выполняющих обработку аналоговых сигналов.

Основным схемотехническим узлом аналоговых интегральных схем является дифференциальный усилитель (ДУ), показанный на рис. 1.1, а.

ДУ усиливает разность сигналов U _вх.д = U _вх1 – U _вх2 , а его выходным сигналом является разность U _вых = U _вых1 – U _вых2 . Коэффициент усиления дифференциального сигнала

(1.1)

Схема идеального ДУ симметрична, поэтому если на оба входа подать один и тот же сигнал (такой сигнал называется синфазным), то токи транзисторов I ₁ и I ₂ равны I _г /2 и не изменяются.

В реальном ДУ из-за разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока I _г при подаче входного синфазного напряжения U _вх.с = U _вх1 = U _вх2 возникает выходное напряжение U _вых.с ≠ 0. Отношение К _у.с = U _вых.с / U _вх.с называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. В справочной литературе способность ОУ подавлять синфазный сигнал характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала К _ос.с = К _у.д /К _у.с .

Если входное дифференциальное напряжение не равно нулю, то происходит перераспределение тока I _г между транзисторами. Определим токи, используя известное соотношение для транзистора:

(1.2)

где I _к0 – обратный ток перехода эмиттер-база;

U _бэ– прямое падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора;

j _Т = kT/e ₀ – температурный потенциал;

k = 1,38 Дж/К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

е ₀ = 1,6∙10^-19 Кл – заряд электрона.

Для оценочных расчетов можно принять φ _Т ≈ 25 мВ при 20˚С.

Таким образом, для транзисторов дифференциального усилителя

Величина I _к0 неизвестна, однако можно найти отношение

Решая это уравнение совместно с равенством I ₁ + I ₂ = I _Г, находим:

(1.3)

Зависимости и показаны на рис. 1.1, б.

Усиление транзисторного каскада принято характеризовать крутизной В случае дифференциального каскада

Тогда

Подставляя в (1.1) U _вых = I ₂ R ₂ – I ₁ R ₁, получаем с учетом R ₁ = R ₂: К _у.д = SR ₁.

Здесь, как и далее в учебном пособии, в соответствии с требованиями отечественных стандартов ЕСКД буквенно-цифровые позиционные обозначения элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности) указаны без индексов, а их параметры – соответствующими буквами с индексом: так, например, резистор R1 имеет сопротивление R ₁ и т.д.

Нетрудно показать математически (это видно и из графика рис. 1.1, б), что S = S _max при U _вх.д = 0. Тогда

и

Как следует из выражения для К _у.д.max, увеличения коэффициента усиления можно достичь, увеличивая I _Г и сопротивление нагрузки. Ни один из этих способов не является рациональным, так как в первом случае увеличивается потребляемый ток и снижается входное сопротивление усилителя, а во втором – увеличивается площадь резисторов на кристалле и возрастает требуемое напряжение питания.

Решение проблемы заключается в замене резисторной нагрузки на транзисторный источник тока с высоким внутренним сопротивлением. Простейшая структура транзисторной нагрузки показана на рис. 1.2, а. Этот узел называют отражателем тока или токовым зеркалом. Задающим является ток I ₁, отраженным – ток I ₂. Напряжения база-эмиттер U _бэ транзисторов VT1 и VT2 равны. Так как транзисторы выполнены на одном кристалле в едином технологическом процессе, то их параметры практически идентичны, и при достаточно большой величине h _21э справедливо равенство

откуда следует I ₁ = I ₂.

Ток I Г также должен формироваться транзисторным источником с высоким внутренним сопротивлением. Одна из распространенных схем (рис. 1.2, б) представляет собой модификацию отражателя тока. Выходной ток где

Выходной сигнал дифференциального каскада усиливается по напряжению промежуточным каскадом и по мощности – выходным каскадом.

Типичная трехкаскадная схема современного ОУ, показанная на рис. 1.3, является несколько упрощенной, однако дает достаточное представление для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре.

Вход, обозначенный на рис. 1.3 знаком "–", называется инвертирующим, так как при изменении напряжения, подаваемого на него, выходное напряжение изменяется с противоположным знаком. Соответственно изменение напряжения на неинвертирующем входе, обозначенном знаком "+", вызывает синфазное изменение выходного напряжения.

Промежуточный каскад выполнен на транзисторе VT7. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5, а для увеличения коэффициента усиления промежуточного каскада его нагрузкой является источник тока на транзисторе VT6. Выходной каскад на транзисторах VT10, VT11 представляет собой двухтактный усилитель мощности. Резисторы R в эмиттерах выходных транзисторов ограничивают сквозной ток в режиме переключения и одновременно являются датчиками тока перегрузки: при возрастании выходного тока увеличивается падение напряжения на резисторе R, вследствие чего открывается один из транзисторов VT8 или VT9, ограничивая ток базы выходного транзистора.

Выводы, обозначенные " FC " и " NC ", предназначены соответственно для частотной коррекции и для коррекции нуля; их назначение описано ниже.

На рис. 1.4, а показаны условные графические обозначения ОУ, используемые в технической литературе. Инвертирующий вход обозначается знаком "–" или знаком инверсии ○. Чаще всего в иллюстративных целях изображают только входы и выходы; при необходимости показать цепи питания и коррекции дополнительные выводы могут располагаться сверху и снизу. При выполнении конструкторских документов необходимо соблюдать требования стандартов ЕСКД, согласно которым ОУ, соответствующий рис. 1.3, должен изображаться так, как показано на рис.1.4, б.

Важнейшие параметры ОУ. Параметры, характеризующие качество ОУ, можно разделить на три большие группы: статические, динамические и эксплуатационные.

Статические параметры влияют на точность преобразования медленно меняющихся сигналов. Важнейшие из них – коэффициент усиления, напряжение смещения и входной ток.

Динамические параметры характеризуют быстродействие ОУ. Их можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся частота среза f _ср и частота единичного усиления f _т. Эти параметры называются малосигнальными, так как они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ. Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения v и мощностная полоса пропускания f _p. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале (U_вх.д >> 50 мВ для ОУ на биполярных транзисторах и U_вх.д >> 1 В для ОУ с полевыми транзисторами на входе).

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей (максимальное входное синфазное и дифференциальное напряжения; максимальный выходной ток или минимальное сопротивление нагрузки) и требования к напряжению питания. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ.

Параметры ОУ изменяют свое значение при изменении температуры и напряжения питания. Это явление называется дрейфом.

Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления ДУ и промежуточного усилителя. Коэффициент усиления входного ДУ равен произведению его крутизны на сопротивление нагрузки R _н1 = R _вых1|| R _вx2, где R _вых1 = r _к2|| r _к4 – выходное сопротивление ДУ; R _вх2 = h _21э(r _э5 + h _21э r _э6) – входное сопротивление промежуточного усилителя. Здесь r _к – сопротивление обратно-смещенного перехода коллектор-база соответствующего транзистора; r _э – сопротивление открытого перехода эмиттер-база; h _21э – дифференциальный коэффициент усиления транзистора по току. Коэффициент усиления промежуточного усилителя равен произведению его крутизны S ₂ на сопротивление его нагрузки h _21э R _н, где R _н – сопротивление нагрузки на выходе ОУ.

Типичными для массовых ОУ среднего уровня являются следующие значения: r _к = 1 МОм, I ₁ = 10 мкА, I ₂ = 300 мкА, h _21э = 100, R _н = 2 кОм. При этом расчетное значение коэффициента усиления ОУ порядка 5·10⁵. Фактическое значение коэффициента усиления в несколько раз меньше из-за действия внутренней паразитной отрицательной обратной связи.

Напряжение смещения нуля и способы его уменьшения. При равных потенциалах на входах реального ОУ его выходное напряжение отличается от нуля. Для компенсации этой погрешности на вход ОУ необходимо подать некоторую разность напряжений, называемую напряжением смещения нуля U _см. В ДУ на биполярных транзисторах величина U _см определяется в основном разбросом напряжений база-эмиттер входных транзисторов, в ДУ на полевых транзисторах – разбросом напряжений затвор-исток. Значение U _см составляет обычно от 2 до 5 мВ для биполярных входных каскадов и от 20 до 50 мВ для каскадов на полевых транзисторах. Для компенсации напряжения смещения во многих ОУ предусмотрены специальные выводы NC (см. рис. 1.3), к которым подключается компенсирующий потенциометр R _к.

Температурный дрейф напряжения смещения составляет обычно от 3 до 10 мкВ/ºС; дрейф, вызванный изменением напряжения питания – от 10 до 100 мкВ/В.

Входные токи, протекая через цепи источников входных сигналов, создают разницу падений напряжений на их внутренних сопротивлениях R вн1 и R вн2,равную Δ U = I вх1 R вн1 – I вх2 R вн2 (рис. 1.5). Величина Δ U действует на входе ОУ как ложный дифференциальный сигнал.

Входные токи. В ДУ на биполярных транзисторах I _вх = I ₁/ h _21э. При типичных значениях I ₁ = 10мкА и h _21Э = 100 получаем I _вх = 0,1 мкА. Температурный дрейф входных токов определяется в основном температурным дрейфом коэффициента усиления по току h _21э, так как ток генератора I _Г стабилизирован. В ДУ на полевых транзисторах входные токи на несколько порядков меньше (типичные значения от 0,05 до 0,2 нА), однако их зависимость от температуры гораздо сильнее.

Для уменьшения ошибки, вызванной входными токами, необходимо уравнять эквивалентные сопротивления, подключенные к входам ОУ. При необходимости для этой цели последовательно с входом ОУ включают дополнительный резистор.

Динамические параметры ОУ. Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичные частотные характеристики операционного усилителя изображены на рис. 1.6. При увеличении частоты входного сигнала величина дифференциального коэффициента усиления К _у(f) уменьшается, а отставание по фазе φ (f) выходного сигнала относительно входного увеличивается и рано или поздно достигает величины минус 180º. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий входы ОУв этой частотной области фактически меняются ролями: отрицательная обратная связь, которая обычно осуществляется подачей части выходного напряжения на инвертирующий вход усилителя, становится положительной. При этом возможно возникновение автоколебаний усилительной системы. Для исключения самовозбуждения между выходами ДУ и промежуточного усилителя включают конденсатор частотной коррекции C _к. Для этого в корпусе ОУ предусмотрены специальные выводы FC (см. рис. 1.3). Во многих современных ОУ корректирующий конденсатор выполняют встроенным.

Величина C _к выбирается таким образом, чтобы передаточная функция усилителя была однополюсной, т.е., чтобы его частотная характеристика была эквивалентна характеристике апериодического звена первого порядка (пунктирная прямая на рис. 1.6). На высоких частотах именно C _к является нагрузкой ДУ. Следовательно, на частотах, превышающих частоту полюса,

Отсюда можно найти частоту единичного усиления f _т = I ₁/(2π φ _т С _к). Типичным для универсальных ОУ является значение f _т ≈ 1 МГц.

Если на вход ОУ подан дифференциальный прямоугольный сигнал U _п , полностью переключающий ток I _г = 2 I ₁ из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Минимальное значение U _п зависит от типа входных транзисторов ДУ. Например, в ОУ на рис 1.3 отношение токов в плечах ДУ равно 9 при U _п = 50 мВ, а при U _п = 100 мВ это отношение примерно равно 70. В ОУ с полевыми транзисторами на входе для полного переключения токов в ДУ необходимо между его входами подать напряжение порядка 1–3 В. Скорость нарастания выходного напряжения v будет определяться скоростью заряда С _к током 2 I ₁, ее значение для массовых ОУ обычно не превышает 1 – 2 В/мкс.

Важной динамической характеристикой ОУ является мощностная полоса пропускания f _p – частота, до которой сохраняется максимальный (обычно ± 10 В) размах выходного напряжения ОУ. Если выходной сигнал синусоидален, то U _вых(t) = U _msin2π ft, и его максимальная скорость нарастания v = dU _вых(t)/ dt при t = 0 составляет U _m2π f. Отсюда при U _m = 10 В и v = 1 В/мкс получаем f _p ≈ 16 кГц.

Разновидности ОУ. Параметры ОУ постоянно улучшаются за счет применения новых схемотехнических решений и совершенствования технологии. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно: улучшение одного параметра часто осуществляется за счет другого. Например, увеличение коэффициента усиления влечет за собой ухудшение частотных свойств и наоборот. Кроме того, требования к ОУ в различных областях схемотехники неодинаковы: так, в измерительных устройствах важнее всего точность, в схемах обработки сигналов на первый план часто выходит быстродействие.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Их можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники ОУ можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и на полевых транзисторах с изолированным затвором. В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n -переходом или МОП-транзисторы обычно используются в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление.

Большая часть выпускаемых ОУ – усилители общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой мощности. Обычные параметры: K _U = (20–200)∙10³; U _см = 0,1–20 мВ; f _т = 0,1–10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f _т = 20–1000 МГц, v = 10–1000 В/мкс). Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (более 5∙10⁵), малое напряжение смещения нуля (не более 0,5 мВ) и малый входной ток при низком или среднем быстродействии. Типичные примеры: 140УД26, ICL7652, ОРА227, МАХ430.

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания. Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы можно было найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием, некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока, а увеличение – к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, ОР22. Обычно ток потребления для микромощных и программируемых ОУ составляет десятки микроампер, а для такого образца, как МАХ406 – не более 1,2 мкА. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от ± 0,8 В до ± 18 В при токе потребления 15 мкА.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Так, ИМС 140УД20 имеет в корпусе два ОУ типа 140УД7. Микросхемы ОРА227/2227/4227 и МАХ406/407/418 (микромощные) включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания ± 15 В и допускают выходной ток до 20 мА. Этого недостаточно для управления некоторыми мощными нагрузками. Поэтому выпускаются ОУ, допускающие более высокие питающие (соответственно выходные) напряжения и большие выходные токи. К высоковольтным относят ОУ, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 В. К мощным принято относить усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА.

Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить модель LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94 с номинальным напряжением питания ± 200 В, выходным напряжением ± 170 В и выходным током до 14 А, а также сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2 кВт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима D, описанного в п. 1.5 настоящего пособия. Рекордными являются характеристики гибридного усилителя SA08 фирмы Apex Microtechnology с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

В табл. 1.1 приведены основные параметры некоторых моделей ОУ.

Таблица 1.1 Основные параметры ОУ различных типов
Модель	Напряжение питания, В	Коэффициент усиления, В/мВ	Напряжение смещения, мВ	Входной ток, нА	f Т, МГц	v, В/мкс	Ток потребления, мА	Выходной ток, не менее, мА	Примечание
ОУ общего применения
140УД6	±5…±18					2,5
140УД7	±5…±18				0,8	0,7
LM324	±3…±16					0,25	1,5		4 ОУ в корпусе
140УД8	±5…±18			0,2					Полевые транзисторы на входе
544УД1	±5…±16,5			0,15			3,5
LF441	±5…±18			0.1			0.25
Быстродействующие ОУ
544УД2	±5…±16,5			0,1					Полевые транзисторы на входе
574УД3	±5…±16,5			0,3			3,5
153УД4	±5…±17
LM118	±5…±20
ОР37	±4,5…±18		0,015
Прецизионные ОУ
140УД17А	±13,5…±16,5		0,025	2,5	0,25	0,1	4,5
140УД21	±12…±20		0,05			2,5
140УД26	±13,5…±16,5		0,03
MAX400	±3…±18		0,01		0,6	0,3
OP177	±3…±18		0,01	1,5	0,6	0,3	1,6
LMC6001	±3…±18		0,35	25×10-6	1,3	1,5	0,75		Сверхмалый входной ток
Микромощные ОУ
MAX438	±3…±5		0,5				0,075
MAX480	±0,8…±18		0,075		0,02	0,01	0,015
140УД12	±1,5…±18				0,2	0,8 0,1	0,2 0,03		При I у=15 мкА При I у=1,5 мкА
TLV2401	2,5…16		0,4	0,35	0,005	0,0025	0,001	0,2	Сверхмалый I пот
Высоковольтные и мощные ОУ
1408УД1	±24…±30				0,5	1,5		0,2
LM12	±7,5…±30				0,7			10 А
PA89	±75…±600		0,5	0,01					Гибридный

Понятие идеального ОУ. В большинстве случаев при анализе схем, построенных на ОУ, пользуются понятием "идеальный операционный усилитель". Под этим подразумевается ОУ, обладающий следующими свойствами:

─ бесконечно большой коэффициент усиления дифференциального сигнала;

─ нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала;

─ бесконечно большое входное сопротивление;

─ бесконечно малое выходное сопротивление;

─ нулевое напряжение смещения нуля;

─ бесконечно широкая полоса пропускания.

Как видно из табл. 1.1, параметры современных ОУ весьма близки к идеальным. Отличие реальных параметров от идеальных учитывается, если необходимо определить погрешность преобразования сигнала.