Операционные усилители. Это усилители общего назначения, усиливающие в равной мере переменный и постоянный ток, выполненные в интегральном исполнении

Это усилители общего назначения, усиливающие в равной мере переменный и постоянный ток, выполненные в интегральном исполнении. Название «операционные» (ОУ) они получили в те времена, когда не было интегральных схем, но были аналоговые (в отличие от цифровых) вычислительные машины. В их свойства входили блоки, выполнявшие аналоговые операции суммирования, вычитания, интегрирования, дифференцирования и т.д., основными элементами которых были усилители на электронных лампах, называвшиеся операционными. В последующем они передали свое название интегральным микросхемам, получившим название операционных, но вообще, в инженерной практике это усилитель широкого применения.

В России интегральные микросхемы подразделяются на три основных семейства: полупроводниковые, гибридные и прочие. Полупроводниковые микросхемы – те, все элементы которых выполняются в едином технологическом процессе, внутри подложки, изоляцией являются обратно смещенные p-n-переходы. Подложки – это то же, что и печатная плата, но печатная плата - например, стеклотекстолит, а подложка – кремневая пластина. В печах, при высокой температуре, выращивают брусок сверхчистого кремния, например, размером 10 см в диаметре и 50 см в длину. Затем посредством пакета алмазных пил, его режут на тонкие пластины при быстром вращении и подаче эмульсии. Алмазная пила – это диск из фольги (нержавеющая сталь), внутренняя кромка покрыта алмазным порошком (рисунок 1.66).

Рисунок 1.66 – Алмазная пила

Диски собирают в пакет, брусок кремния помещают внутрь отверстия и задают быстрое вращение, выполняется операция резки. После пластины полируют до зеркального блеска. Недостаток полупроводниковых микросхем – большой процент брака в технологическом процессе. Также относительно небольшой диапазон параметров элементов, не очень качественная изоляция элементов, низкочастотность, т.к. изоляция, т.е. обратно смещенные p-n-переходы обладают емкостью, снижающей частотные характеристики микросхем.

Гибридные микросхемы, когда все или большинство элементов и проводников размещены (приклеены специальным клеем) на подложке. Достоинства: хорошая изоляция, высокочастотность, большой допустимый диапазон параметров, малый процент брака. Недостаток – большая трудоемкость при наклейке элементов, относительно высокая стоимость.

Прочие микросхемы – тонкопленочные.

Если на корпусе микросхемы на первом месте стоят цифры 1;5;6;7 – то это полупроводниковые микросхемы; 2;4;8 – гибридные; 3 - прочие.

Серия микросхем объединяет различного назначения приборы, но с более-менее близкими технологическими признаками, здесь цифры могут быть от 00 до 99 или 000 до 999, располагаются на корпусе на втором месте после цифр, например, 1;2;3 обычно читаются совместно с номером серии(рисунок 1.67):

Рисунок 1.67- Обозначение микросхем.

Говорят: 140 серия, хотя фактически первая цифра означает, что микросхема полупроводниковая (1) сороковой серии. Буквы в обозначении УД определяют функциональное назначение, здесь, например, операционный усилитель. Последняя цифра – номер разработки, возможно цифра 25 и более, значит были разработаны различные подвиды операционных усилителей от первого до двадцать пятого, сначала первый, потом, с течением времени, другие номера.

В европейском и американском стандартах операционные усилители изображаются по-разному так, как показано на рисунке 1.68, более полное европейское условное изображение а) упрощенное изображение б), американское в). Операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий с кружочком (–о), второй неинвертирующий.

Это значит, что при подаче сигнала на вход с кружочком (иногда отмечают черточкой минус –), на выходе результат усиления будет противофазным. И не стоит гадать, сдвиг ли это на +180⁰ или на -180⁰, оба суждения будут справедливы, то есть здесь скачок фазы, как у каскада на биполярном транзисторе с эмиттерной связью скачок фазы и все. Нельзя утверждать, что этот скачок, сдвиг фазы, образовался вследствие действия инерционных элементов на отставание или опережение, физический смысл иной, инвертирующее свойство схемы и больше ничего. Второй вход – неинвертирующий, выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Оба входа дают примерно одинаковое усиление – в среднем от тысячи до нескольких сот тысяч по напряжению.

а) б) в)

Рисунок 1.68 – Европейский стандарт обозначения операционных усилителей а),б); американский стандарт в)

Американские авторы, которые впервые разработали интегральный операционный усилитель, испытывали творческие мучения, как из разных вариантов сделать схему, удовлетворяющую широкий круг практических технических специалистов. Остановились на двух входах и выходе. А уже внутри прямоугольника схемные решения и исполнение может быть различным. Чтобы инженеры особенно не заботились соединением операционных усилителей друг с другом, желательны в режиме ожидания входные и выходные напряжения нулевые. Именно поэтому операционный усилитель запитывается двумя напряжениями (симметричными), обычно одинаковыми по величине, в положительной и отрицательной области, на рисунке 1.68, а выводы для этих напряжений обозначены крестиками; их уровни от единиц вольт и больше. Вследствие технологических неточностей входное напряжение операционного усилителя (которое в идеале должно быть нулевым) отличается от нуля в плюс или минус область, то же относится и к выходным электродам, для возврата этого напряжения к нулю из плюс области или минус области производится балансировка через выводы NC (нуль коррекция, выводы NC). Внутри прямоугольника введены значки ∞. Первый значок – это имеется в виду, что сигнал передается с выхода на вход и обратно не передается. В идеале так должно быть, но в действительности сигнал с выхода всё-таки проходит на вход в незначительной степени. Второй значок символизирует о наличии ряда идеальных (но не реальных) свойств ОУ:

· коэффициент операционного усилителя бесконечность;

· полоса пропускания от нуля до бесконечности;

· входное сопротивление равно бесконечности;

· выходное сопротивление равно нулю. Здесь нуль, но особый значок для него вводить не стали.

Известны два типа ОУ: без внутренней частотной коррекции и с внутренней частотной коррекцией, как изображено на рисунке 1.69 а), б).

.

Рисунок 1.69 – Частотные характеристики операционных усилителей без внутренней частотной коррекцией а); с внутренней частотной коррекцией б)

Первый тип операционных усилителей имеет «длинную» частотную характеристику (до 500 кГц и более), но их нельзя включать без частотной коррекции, они неработоспособны, так как элементы схемы расположены на малой площади подложки очень близко друг к другу, возникают паразитные обратные связи, в том числе положительные, вводящие ОУ в режим триггера, возможно – автоколебаний, неустойчивое состояние. Физический смысл неустойчивости тот же, что и в теории автоматического управления, поэтому методы устранения неустойчивости аналогичные. Однако здесь, в ОУ, применяют наиболее простые способы получения устойчивости, а именно, к характеристике рисунка 1.69, а) под линейку, с наклоном –1 проводят прямую таким образом, чтобы в окрестности частоты среза (пересечения горизонтальной оси частоты) протяженность линии -1 была влево и вправо от частоты среза ω_с не менее 1.5 – 2 декады. Затем, по частоте перегиба ω_п рассчитывают резистор R и емкость С, подключают эту цепочку к выводам FC (частотная коррекция). Только после выполнения этих действий микросхему можно использовать как операционный усилитель, до этого она неработоспособна. Известны и другие способы частотной коррекции, именно по этой причине усилители первого типа оставлены без коррекции на волю инженера: он может «поиграть» таким образом, чтобы полоса частот была возможна более широкой и устойчивость обеспечена.

Второй тип ОУ с характеристикой на рисунке 1.69, б) имеет встроенную частотную коррекцию, поэтому и полоса пропускания у него уже, но зато не надо думать, заниматься оптимизацией частотной коррекции. Обратную связь можно вводить (припаивать резистор с выхода на -вход) не заботясь об устойчивости и коррекции.

Возможны три варианта включения ОУ: дифференциальный, инвертирующий и неинвертирующий, изображенные на рисунке 1.70.

R2

а) б)

в)

Рисунок 1.70 – Варианты схемы включения ОУ: дифференциальное а); инвертирующее б); неинвертирующее в)

Дифференциальный вариант специально разработан для случая, когда на первый каскад электронной схемы действуют помехи, особенно низкочастотные (например, ниже 50 Гц). Для их фильтрации необходим громоздкий фильтр, если бы не было дифференциального способа включения ОУ. Здесь же (схема рисунка 1.70,а) помеха действует на оба входа одновременно, например, первым положительным полупериодом, причем инвертирующий вход на выходе инвертирует ее в первый отрицательный полупериод, а неинвертирующий оставляет первый полупериод неинвертированным, положительным, следовательно, отрицательный и положительный полупериоды компенсируются, усиления почти нет, помеха «фильтруется». Такую помеху, которая одновременно действует на оба входа называют «синфазной составляющей». Она не полностью компенсируется операционным усилителем, тем не менее, в справочниках приводится коэффициент ослабления синфазной составляющей, например, в 100 дБ раз (сто децибел – это 100 000). Коэффициент усиления дифференциального включения по напряжению:

Резистор R₂, подключенный к + входу, уменьшает коэффициент усиления по этому входу, т.к. схема рисунка 1.70,б) инвертирующего включения имеет коэффициент усиления, а схема рисунка 1.70,в), т.е. они разные. Для того, чтобы синфазный сигнал подавлялся в большей степени необходимо уменьшить коэффициент усиления схемы рисунка 1.70, а) по плюс входу, для этого вводят резистор R₂, шунтирующий часть напряжения + входа. (схема рисунка 1.70,в) потому, что именно этот вариант соответствует +входу схемы рисунка 1.70,а)).

Особенность дифференциального включения – источник сигнала должен иметь среднюю точку, как на рисунке 1.70, а).

Наиболее часто в электронных схемах применяется вариант инвертирующего включения, (рисунок 1.70,б)) потому, что он позволяет реализовать операции интегрирования, дифференцирования, суммирования, в том числе и усиления, но без подавления синфазной составляющей. Инвертирующее включение имеет входное сопротивление, равное R₁, так как эффект отрицательной обратной связи почти полностью компенсирует собственное дифференциальное сопротивление ОУ, которое, как уже отмечалось в идеале должно быть равно бесконечности. Конструкторы, разрабатывающие ОУ, стремятся сделать сопротивление между – и + входами возможно большим, но в варианте рисунка 1.70,б) оно считается нулевым. Таким образом вход с кружочком обладает двойственными свойствами: с одной стороны он заземлен из-за действия отрицательной обратной связи с выхода через R₂, с другой стороны, так как ток между – и + входами почти нулевой, (по причине большого конструктивного дифференциального сопротивления) он не имеет связи с землей, то есть отключен от точки соединения R₁ и R₂. Обычно сопротивление R₁ имеет небольшую величину, поэтому каскад вида рисунка 1.70,б) считается низкоомным.

Неинвертирующее включение ОУ рисунка 1.70, в) подобно предыдущему варианту, но не инвертирует входной сигнал, не компенсирует синфазную составляющую, имеет большое входное сопротивление (по крайней мере, не меньше дифференциального), поэтому предпочтительнее по сравнению со схемой рисунка 1.70,б) для целей усиления.