История развития ОУ началась с появления μA702, созданного Робертом Видларом в 1965 году. Этот интегральный усилитель стал основой для многих современных решений, а его преемник μA741 с встроенной частотной коррекцией до сих пор остается популярным. В этой статье мы рассмотрим устройство операционных усилителей, их классификацию и основные области применения.
Операционный усилитель представляет собой сложный электронный компонент, функционирование которого зависит от множества параметров. Универсального решения для всех задач не существует, поэтому производители предлагают специализированные модели, отвечающие требованиям конкретных приложений.
Основные категории ОУ включают:
1. ОУ общего назначения. Эти усилители характеризуются низкой стоимостью и стандартными параметрами. Они идеально подходят для простых схем, где нет строгих требований к точности и быстродействию.
2. ОУ с малым энергопотреблением. Используются в устройствах на батарейном питании. Они потребляют не более 0,5-1 мА и могут иметь режим выключения, позволяющий снизить потребление тока до нескольких микроампер.
3. Электрометрические ОУ. Эти усилители предназначены для работы с высокоомными источниками сигнала и имеют очень низкие входные токи, измеряемые в пикоамперах.
4. Прецизионные ОУ. Обеспечивают высокую точность и стабильность результатов. Для их использования требуется усилитель с высоким коэффициентом усиления и минимальными значениями напряжения смещения.
5. ОУ с низким уровнем шума. Идеальны для работы с микровольтовыми сигналами, где уровень шума не должен превышать 10 нВ/√Гц.
6. Высокоскоростные ОУ. Эти устройства обладают широкой полосой пропускания (не менее 50 МГц) и используются в приложениях, требующих быстрой обработки сигналов.
Важно отметить, что производственные технологии постоянно развиваются, и приведенная классификация может быть условной. Например, прецизионные ОУ часто имеют низкий уровень шума, а электрометрические модели могут частично пересекаться по характеристикам с прецизионными.
Операционные усилители также классифицируются по технологии их производства:
Идеальный ОУ и основные расчетные соотношения
Рис. 1. Общий принцип построения ОУ
Несмотря на то, что схемотехника ОУ довольно разнообразна, в них может содержаться от нескольких десятков до нескольких сотен транзисторов, а параметры ОУ могут существенно различаться, общий принцип их построения неизменен для всех вариаций (рис. 1). Многие параметры ОУ зависят от входного дифференциального каскада, упрощенная схема которого приведена на рис. 2. Как видно из рисунка, на вход каскада подаются два сигнала, с которыми и совершаются математические операции. Отсюда и название — операционный усилитель.
Рис. 2. Упрощенная схема входного дифференциального каскада ОУ
Рис. 3. Базовые схемы включения ОУ
Один из входов ОУ является инвертирующим, другой — неинвертирующим. На рис. 3 приведены базовые схемы включения ОУ, опираясь на которые, мы постараемся разъяснить особенности применения ОУ и их основные параметры. Для вычисления коэффициента усиления схем на рис. 3 используется модель идеального ОУ с бесконечным коэффициентом усиления AOL (OL, Open Loop — разомкнутая петля обратной связи) и бесконечным входным импедансом. Из этих допущений следует три соотношения:
V+ = V– (1)
I+ = I– = 0 (2)
ZВЫХ = 0 (3)
Где: I+ — входной ток неинвертирующего входа; I– — входной ток инвертирующего входа; V+ — напряжение на неинвертирующем входе; V– — напряжение на инвертирующем входе; ZВЫХ — выходной импеданс ОУ.
Исходя из соотношений (1) и (2) легко получить значение коэффициента усиления АCL (CL, Close Loop — замкнутая петля обратной связи) для схем на рис. 3. Для инвертирующего усилителя (рис. 3а) в соответствии с (2) получаем:
VВХ/R1 + VВЫХ/R2 = 0
АCL = VВЫХ/VВХ = –R2/R1 (4)
Для неинвертирующего включения ОУ (рис. 3б) из условия (1) запишем:
VВЫХ * [R1/(R1 + R2)] = VВХ (5)
АCL = VВЫХ/VВХ = 1 + (R2/R1) (6)
Для схемы с дифференциальным включением (рис. 3в) исходя из (1) имеем:
V+ = VВХ2 * [R4/(R3 + R4)] (7)
I1 = (VВХ1 – V+)/R1
VВЫХ = V+ – I1 * R2 = VВХ2 * {[R4 * (R1 + R2)]/[R1 * (R3 + R4)]} – VВХ1 * R2/R1 (8)
При усилении дифференциального сигнала обычно выполняется соотношение (R1/R2) = (R3/R4). В этом случае соотношение (5) принимает вид:
VВЫХ = (VВХ2 – VВХ1) * (R2/R1) (9)
Обратите внимание: в инвертирующем включении (рис. 3а), в соответствии с условием (1), напряжение на входах ОУ V+ = V– = 0 В. При неинвертирующем и дифференциальном включении (рис. 3б и 3в) напряжение на входах ОУ отлично от нуля и определяется соотношениями (5) и (7), но при этом по-прежнему выполняется условие (1). Напряжение, описываемое соотношениями (5) и (7), называется синфазным напряжением VCC. При инвертирующем включении ОУ VCC = 0.
Несмотря на принятые выше допущения (1), (2) и (3), при корректном выборе ОУ полученные для коэффициентов усиления соотношения (4), (6) и (9) можно использовать на практике для подавляющего большинства случаев. Если вместо резисторов R1–R4 применяются более сложные цепи, расчет передаточных функций также выполняется исходя из допущений (1), (2) и (3), при этом в формулах (4), (6), (9) вместо сопротивлений R1–R4 используются импедансы Z1–Z4 соответствующих цепей.
В реальном ОУ коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью AOL хоть и очень велик, но все же конечен, из-за чего выражение коэффициента усиления реального ОУ с замкнутой обратной связью А CLR принимает следующий вид:
АCLR = АCL/[1 + (AOL/АCL)] (10)
При корректном выборе ОУ ошибка усиления будет невелика. Например, при АCL = 10 и AOL = 100 000 получим АCLR = 0,9999АCL.
Даже самая совершенная производственная технология не позволяет изготовить абсолютно одинаковые транзисторы в дифференциальном входном каскаде (рис. 2). Поэтому при одинаковом входном напряжении на выходе дифференциального каскада имеется напряжение смещения VOS, которое приведет к появлению нежелательного выходного напряжения VВЫХ = АCL * VOS. Высокий температурный дрейф напряжения приведет к нарушению повторяемости результатов измерения, что недопустимо для прецизионных схем.
Если требуется получить очень высокую точность, рекомендуем использовать ОУ с автоматической компенсацией смещения, которые функционально представляют собой систему из нескольких усилителей. Их стоимость довольно высока, но у них нет альтернативы, если требуется добиться очень высокой точности повторяемости результатов измерения.
Еще одним источником ошибки может стать синфазное напряжение VCC, о котором мы писали выше. При неинвертирующем включении (рис. 3б) выполняется соотношение VВХ = VCC. Реальный ОУ не только усиливает входное напряжение VВХ, но и передает с выхода на вход напряжение VCC, при этом ослабляя его в КОСС (в англоязычной транскрипции CMRR) раз. Таким образом, выходное напряжение определится из соотношения (11):
VВЫХ = АCL * [VВХ + (VВХ/КОСС)] (11)
В современных ОУ КОСС варьируется в пределах 60–120 дБ. Необходимо учесть, что КОСС зависит от частоты: примерный вид зависимости приведен на рис. 4. Обычно производители приводят подобный график в документации.
Рис. 4. Зависимость КОСС от частоты
Оказывает влияние на работу ОУ и напряжение питания: его изменение сказывается на входном напряжении смещения VOS. Ослабление влияния напряжение питания на работу ОУ характеризуется коэффициентом ослабления нестабильности питания (КОНИП), в англоязычной литературе – PSRR. КОНИП определяется следующим образом:
КОНИП = Δ(VCС)/Δ(VOS) (12)
Рис. 5. Зависимость КОНИП от частоты
Так же, как КОСС, КОНИП зависит от частоты. Примерный вид такой зависимости показан на рис. 5. К сожалению, далеко не всегда производители указывают значение КОНИП и приводят его график. Учтите, что приведенная зависимость справедлива при синусоидальном изменении напряжения питания. «Иголки» и «пички» на шинах питания подавляются гораздо хуже и легко «пролезают» на вход, поэтому топология шин питания имеет очень большое значение при разработке печатной платы.
Рис. 6. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ
При выборе ОУ обязательно нужно обращать на его динамические характеристики. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ схематично изображены на рис. 6. В документации производитель указывает границу полосы единичного усиления (GBW в англоязычной литературе). Вернемся к формуле (10) и уточним, что погрешность усиления зависит от частоты сигнала.
Еще одним важным динамическим параметром является скорость нарастания SR выходного сигнала ОУ. Она определяет полосу пропускания большого сигнала. Величина SR определяется из простого соотношения:
SR = Δ(VВЫХ)/Δt (13)
SR выражается в В/нс.
Полоса пропускания большого сигнала BWLS определяется из формулы:
BWLS = SR/(0,707 * 2π * VPLS) (14)
Где: VPLS – амплитуда большого сигнала.
Операционные усилители — это ключевые элементы в мире электроники, которые продолжают развиваться и совершенствоваться. Понимание их устройства и классификации позволяет выбрать подходящий тип ОУ для конкретного приложения, будь то простая схема или сложная система обработки сигналов. С учетом постоянного прогресса в области технологий, операционные усилители остаются важным инструментом для инженеров и разработчиков в различных отраслях.
