Операционными усилителями (ОУ) принято называть интегральные усилители постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, на основе которого можно выполнять различные операции над аналоговыми сигналами, причем свойства ОУ будут определяться параметрами охватывающей его цепи отрицательной обратной связи (ООС). Основная особенность УПТ - возможность усиления медленно изменяющихся сигналов.
В зависимости от значений параметров (качества технологии изготовления) ОУ подразделяются на:
- общего назначения;
- быстродействующие (большая скорость нарастания выходных напряжений до 500 В/мс);
- прецизионные (малые дрейф нуля и шумы);
- микромощные (Jпот £1мА);
- программируемые.
По принципу действия и схемному выполнению ОУ делятся на два типа:
- усилители с непосредственными связями;
- усилители с промежуточным преобразованием.
Для функционального обозначения ОУ используются символы УД, например, 140УД20, для схемотехнического обозначения - символы DA. На рис. 188 приведены два варианта УГО ОУ.
28.
Вх1 - инвертирующий вход;
Вх2 - неинвертирующий вход;
±U - напряжение питания;
^ - корпус;
OV - общий информационный вход;
- промежуточный, контрольный вы - вод;
FC - выводы частотной коррекции;
NC - выводы балансировки.
Рис.188
Входные сигналы на ОУ подаются относительно одной общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал, поэтому источник входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключить к ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих.
Основной характеристикой ОУ является амплитудная характеристика зависимость UВЫХ = f(UВХ), которая характеризует скорость нарастания выходного напряжения (рис.189).
UДР - напряжение дрейфа нуля.
UСМ - напряжение смещения.
Рис.189
При любой технологии изготовления ОУ из-за незначительных разбросов параметров отдельных элементов на выходе усилителя имеется некоторое напряжение, отличное от нуля, при подаче на вход UВХ= 0. Это напряжение UДР называется дрейфом нуля. Для компенсации UДР на вход подается определенное напряжение смещения UСМ.
Упрощенная схема ОУ с непосредственными связями представлена на рис.190.
Упрощенная схема ОУ с непосредственными связями представлена на рис.190.
Схема ОУ включает входной сложный дифференциальный каскад VT1-VT7, из которых VT1, VT2 и VT3, VT4 - собственно плечи дифференциального каскада. VT5 и VT6 выполняют роль динамической нагрузки дифференциального каскада. VT7 выполняет роль эмиттерного повторителя (ЭП), задающего смещения на VT5 и VT6. UT1 - управляемый источник тока для дифференциального каскада. К высокоомному выходу дифференциального каскада подключен эмиттерный повторитель VT8. Выходной каскад VT10, VT11 подключен через дополнительный эмиттерный повторитель с динамической нагрузкой (VT9 и UT3). Управляемые источники тока UT1, UT2, UT3 взаимосвязаны выходной ток одного является входным другого. Это обеспечивает высокую температурную и временную стабильность. ОУ имеет внутреннюю частотную коррекцию, которую реализует конденсатор CK. Он создает отрицательную обратную связь в каскаде ЭП (VT8). Т.к. емкостное сопротивление CK с увеличением частоты уменьшается, то глубина отрицательной ОС увеличивается и коэффициент усиления ОУ уменьшается. Частотная коррекция необходима для того, чтобы изменить АЧХ и устранить самовозбуждение ОУ при введении внешней ОС. Для повышения устойчивости ОУ иногда схему дополняют внешними цепями коррекции, которые подключаются к выводу FC. Внешний конденсатор коррекции можно подключать двояко:
- если CK2 соединить с общей шиной, то уменьшится частота, с которой начинается снижение коэффициента усиления;
Рис.190
- если подключить СК1, то появляется положительная ОС, которая уменьшает глубину отрицательной ОС, реализуемой через СК. Соответственно, увеличивается скорость нарастания выходного напряжения и увеличивается частота, на которой начинается уменьшение коэффициента усиления ОУ.
Для балансировки дифференциального каскада к эмиттерам VT5 и VT6 подсоединяется внешнее переменное сопротивление, которое изменяет токи покоя в плечах дифференциального каскада и позволяет получить UВЫХ= 0 (исключить дрейф нуля дифференциального каскада).
В некоторых схемах ОУ вводят дополнительный управляющий вывод, который управляет током одного или нескольких UT ОУ. Изменение тока управляющего вывода (JУПР) позволяет перестраивать характеристики ОУ. Такие ОУ называются программируемыми (1407УД1-1407УД4).
ОУ с непосредственными связями характеризуются значительными температурными и временными дрейфами выходного напряжения, что не позволяет создание высококачественных аналоговых устройств. Для этих целей используются прецизионные ОУ, в которых используется дополнительное преобразование входного напряжения. В таких ОУ входной сигнал постоянного тока преобразуется (модулируется) в сигнал переменного тока, который затем усиливается и демодулятором и фильтром снова преобразуется в сигнал постоянного тока. На рис.191 представлена структурная схема ОУ с преобразованием. Г- генератор, управляющий модулятором (М) и демодулятором (DM). В качестве модуляторов и демодуляторов используются МОП - транзисторы в ключевом режиме.
Рис.191
ОУ с преобразованием имеют в несколько раз меньше дрейф нуля, чем ОУ с непосредственными связями.
На рис.192 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу ОУ с преобразованием.
Рис.192
Ниже для сравнения приведены параметры температурный коэффициент UСМ и коэффициент усиления по напряжению КU для различных типов ОУ.
- промежуточный, контрольный вы - вод;
