Область применения ОУ

Микросхемотехника
урок_31 «Операционный усилитель. Структура, параметры, Схемы включения »
план урока
1 Операционный усилитель ОУ.
2. Структура и параметры ОУ. Схема универсального ОУ К140 УД7
3 Различные типы ОУ
4 Основные схемы включения.

5 Область применения ОУ.

Операционный усилитель ОУ
Схема операционного усилителя была разработана в 50 годы ХХ века для выполнения математических операций сложения, вычитания, дифференцирования в устройствах автоматического управления и блоках аналоговых вычислительных машин. Первые схемы были сделаны на электровакуумных лампах. Потом они собирались на дискретных транзисторах. С появлением интегральной технологии в 60 –е годы стали выпускаться логические или цифровые микросхемы. В 70-е годы стали создаваться и выпускаться аналоговые микросхемы. Операционные усилители выпускаются как в виде отдельных микросхем различного назначения, так и входят в состав других микросхем. Они не только усиливают сигналы – НЧ, ВЧ и другие специфичные, но и обрабатывают сигналы, сравнивают и задают управляющие сигналы в устройствах автоматики, схемах регуляторов.
Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему – усилитель постоянного тока (УПТ), позволяющей строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи.

Основой ОУ является схема дифференциального усилителя. Имеется два входа –дифференциальный («-«) и недифференциальный («+»). Так же недифференциальный выход. Питание ОУ производится от двух симметричных источников питания различной полярности +_ Uп. Так же есть ОУ с однополярным питанием. Внутри микросхемы оно делится на два напряжения +_ Uп/2.

На схеме ОУ обозначается следующим символом рис.1. Обычно это треугольник, одна из вершин служит для присоединения выходной цепи. Входы усилителя показаны на противоположной стороне треугольника. Инверсный вход обозначают маленьким кружком и знаком «-». Неинверсный вход обозначают символом «+».
рис.1 Символ ОУ

Для расчетов каскада пользуются моделью в виде схемы замещения рис.2:

рис2 Схема замещения ОУ

Структура и параметры ОУ. Схема универсального ОУ К140 УД7

Структурную схему ОУ можно представить в виде 3 узлов (рис.3):

рис.3 Структура ОУ

Упрощенная структура универсального ОУ К140 УД7 будет выглядеть так (рис.4):

рис.4 Структура К 140 УД7

В этой схеме VT1, VT2 входной каскад, VT3,VT4-нагрузка дифференциального каскада в виде «токового зеркала». Каскад 2 это транзистор VT5. Выходной каскад 3 – транзисторы VT6-VT8.

Полная схема К 140 УД7 представлена на рис.5:

рис 5.

Для повышения входного сопротивления применяют полевые транзисторы во входном каскаде. Полная схема ОУ К544 УД1А представлена на рис.6:

рис.6 Схема К544 УД1А

Входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторахVT1 и VT2 с управляющим p-n переходом. Сигнал подается на клеммы 2 и 3. ОУ обладает входным сопротивлением для дифференциальной составляющей примерно 100 МОм, входным током <0,15 нА, который почти на порядок меньше, чем в лучших усилителях на

биполярных транзисторах. Выходное напряжение входного каскада снимается с активных нагрузок в виде транзисторных структур VT3, VT4 и резисторов R1 и R3. Последние, совместно с эмиттерным повторителем на VT5 и R2, производят преобразование двухфазного сигнала в однофазный дифференциальный. Однофазный выход дифференциального каскада через повторитель напряжения на VT8 и R6 подключен к входу усилителя с большим коэффициентом усиления на транзисторе VT9 с нагрузкой в цепи коллектора в виде источника тока на транзисторе VT10 и резисторе R8. Конденсатор С осуществляет отрицательную ОС для сужения полосы пропускания с тем, чтобы предупредить самовозбуждение ОУ. Существуют варианты, в которых этот конденсатор используется в навесном исполнении. Выходной каскад на комплементарных транзисторах VT17 и VT18 и схемы сдвига уровня на транзисторах VT11- VT14 обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. Выходное напряжение снимается с клемм 6 и 9. Так как полевые транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, то принимаются особые меры, исключающие выход их из строя. В данной микросхеме это достигается путем включения источника тока в истоковые цепи полевых транзисторов

на транзисторе VT6 со стабилизирующим транзистором в диодном включении VT7. Клеммы 4 и 7 служат для подачи двухполярного напряжения питания. Клеммы 1 и 8 служат для подключения корректирующего тока смещения.

Параметры ОУ.

Самый главный параметр ОУ – коэффициент усиления по напряжению Ku. Размерность В/В. Определяется как коэффициент передачи входного дифференциального напряжения в схеме без обратной связи.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала - К ос снф, размерность дБ. Определяется как отношение коэффициентов передачи дифференциального и синфазного сигналов.

Напряжение смещения нуля – Uсм, размерность мВ. Напряжение, которое необходимо подать на схему дифференциального каскада, чтобы выравнять токи в цепях моста и Uвых=0 при Uвх=0.

Входное сопротивление для дифференциального каскада – Rвх, размерность Ком, Мом. Сопротивление между входами ОУ.

Входное сопротивление для синфазного сигнала – Rсн, размерность Ком, Мом. Сопротивление между одним из выводов ОУ и общей шиной при разомкнутом втором входе.
Средний входной ток – Iвх, размерность мА. Среднеквадратичное значение токов инверсного и неинверсного входов ОУ, измеренное при таком Uвх при котором Uвых=0.
Максимальный входной ток –Iвх mах, размерность мА. Максимальный ток, который можно подать на входа ОУ.
Максимальное входное напряжение – U вх max, размерность В. Разница напряжений, которые можно подать на входа ОУ.
Напряжение шума – Uш, размерность нВ/Гц. Э.Д.С. шума, который нужно подать на дифференциальный вход нешумящего ОУ для достижения выходного шума реального ОУ.
Частота единичного усиления – F1, размерность МГц. Частота, на которой коэффициент усиления Ku=1.

Максимальное выходное напряжение – Uвых max, размерность В. Максимальное значение симметричного сигнала на выходе ОУ.
Максимальный выходной ток – Iвых max, размерность мА. Определяет ток нагрузки ОУ, не нарушающий режим работы.

Напряжение питания – Uп, размерность В. Определяет напряжение, которое необходимо подать на ОУ для нормального режима работы.

Так же была введена математическая модель «идеального ОУ». Он имеет следующие параметры:

Входное сопротивление - очень бесконечное, что дает входной ток равный нулю.
Коэффициент усиления по напряжению Ku – очень большое число.
В таблице представлены параметры некоторых микросхем ОУ (рис.7):
рис.7 Параметры МС ОУ

Различные типы ОУ.

В зависимости от назначения и схемотехнического решения существуют следующие типы ОУ (ГОСТ 4.465-86 ):

1 Универсальные ОУ. Они имеют параметры : Ku = 1000 до 100000, F1=1.5…10 МГц.

2 Прецизионные (инструментальные) : Кu >0.5 10в6, Uсм < 0.5 мВ.

3 Быстродействующие со скоростью нарастания V Uвых > 20 В/мкceк.
4 Микромощные и регулируемые ОУ с током потребления Iп < 1 мА.

5 Мощные ОУ, с выходным током 1А.

6 Высоковольтные ОУ, с размахом напряжения на выходе до 200 В.

Кроме единичных экземпляров, так же выпускаются многоканальные ОУ. В одном корпусе микросхемы объединяются 2,3,4 ОУ с общими выводами питания. МС К1416 УД1 содержит четыре ОУ, характеристики которых определяются током управления.

Так же выпускаются микросхемы, где ОУ объединяются с другими типами микросхем, например с компараторами – КФ 1031 УД1.

Основные схемы включения ОУ.

Типичная схема включения ОУ – схема усиления для сигнала, подаваемого на инверсный или неинверсный вход. Если сигналы, подаются на оба входа, то усиливается разностный сигнал.
Другая схема включения позволяет преобразовывать сигнал, выполняя функции интегрирования или дифференцирования, суммирования, вычитания.
На ОУ можно создавать генераторы различных сигналов – синусоидальных, прямоугольных.

Рассмотрим схемы усилительных каскадов на ОУ.

1 Чаще всего ОУ используется в схеме инвертирующего усилителя рис. 8 а) :
рис. 8 Схемы включения ОУ
В схеме присутствует цепь обратной отрицательной связи (ООС) по напряжению. Выходное напряжение через R2 (Rос) подается на инверсный вход ОУ («-»). Входной сигнал Uвх суммируется с напряжением ООС на R1 и R2 и подается на вход ОУ. Граф токов на основе закона Кирхгофа представлен на рис.8 в). Узел е_ - инверсный вход ОУ.
Коэффициент обратной связи определяется выражением:
β = R1/(R1+R2)

В инверсном усилителе Uвх проходит на «-» вход с коэффициентом:
μ = R2/(R1+R2)

Формула для коэффициента усиления Ku :
Ku= - μK/(K β +1) = - R2/R1 1/ (1+1/ K β)

При большом К можно считать, что K β >>1, то тогда :
Кu= - R2/R1
Знак «-» показывает, что выходное напряжение имеет полярность противоположную входному, т.е. инвертировано относительно его. Следует заметить, что коэффициент усиления можно регулировать выбором R1 и R2 (Rос) и он не зависит от параметров ОУ.

2 Схема неинвертирующего усилителя.
Схема включения ОУ показана на рис.8 б). Граф токов показан на рис.8 г). Так же имеется цепь ООС, и часть выходного напряжения подается на инверсный вход ОУ.
Входной сигнал подается отдельно на неинвертирующий вход. Он не складывается с сигналом ООС βUвых, а, наоборот, вычитается из него – (Uвх- βUвых).

Коэффициент обратной связи определяется выражением:

                                       β = R1/(R1+R2)
Коэффициент усиления Ku будет равен

                                       Ku= Uвых / U вх= К/( K β+1)= (R2/R1+1) *1/(1+1/ K β)

Если считать, что K β >>1, то
Кu=R2/R1+1
Следует заметить в этом случае не происходит инверсия выходного напряжения. Коэффициент усиления так же не зависит от свойств ОУ. Он определяется соотношением резисторов в цепи обратной связи R2 и R1.
Особый случай, когда R2=0 и R1 отсутствует. В этом случае Uвых =U вх. Такая схема называется повторителем напряжения рис. 9:

рис.9 Повторитель на ОУ

3 Схема дифференциального усилителя.
В этом случае входные сигналы подаются на оба входа рис 10.:
рис.10 Схемы включения дифференциального усилителя.

Выходное напряжение можно рассматривать как сумму двух независимых составляющих, одна обусловлена U1, другая – U2:

Uвых = U2 *R4/ (R3+R4) (1+R2/R1) - U1*R2/R1

Нетрудно заметить, что если выбрать величины сопротивлений таким образом, что бы
R3/R4 = R1/R2, то выходное напряжение определится по формуле:
Uвых= (U2-U1)* R2/R1

При подключении нагрузки к дифференциальному усилителю часто применяют четырехпроводную соединительную линию рис. 10 б). Это позволяет существенно уменьшит погрешность усилителя, вызванную падением напряжения на проводах линии.

Соединение между собой пар точек a,b и c,d производится в месте расположения нагрузки Rн. Сопротивление провода rb включается последовательно с выходным сопротивлением ОУ. Выходное сопротивление усилителя очень малая величина и поэтому rb практически не влияет на величину выходного напряжения. Сопротивления проводов ra и rd включены последовательно с сопротивлениями R2 и R4. Это приводит к росту мультипликативной погрешности, которая будет мала, если ra,rd << R2,R4. Через сопротивление провода rc проходит непосредственный ток нагрузки. Поэтому на сопротивлении нагрузки будет падать напряжение:
Uн = Uвых Rн/(Rн+rc)
Недостатками простейшего дифференциального усилителя являются низкие входные сопротивления и трудность регулировки коэффициента усиления. Регулировка усиления возможна одновременным изменением сопротивлений R2 и R4. В более сложных схемах, возможно, регулировать с помощью одного резистора рис. 11.
рис11 Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ
Более сложные схемы дифференциальных усилителей лишены этих недостатков. Они имеют большое входное сопротивление и установку заданного коэффициента усиления с помощью одного переменного резистора. Они называются инструментальными усилителями рис.12:
рис.12 Схема инструментального усилителя на ОУ

4 Схема дифференцирующего каскада на ОУ.
Такая схема вычисляет значение производной для малого приращения напряжения рис.13:
рис.13

Напряжение на выходе будет определяться по формуле:

5 Схема интегратора на ОУ

Такая схема вычисляет значение интеграла для входного напряжения рис.14.
рис.14 Схема интегратора на ОУ
Напряжение на выходе будет определяться по формуле:

6 Схема сумматора на ОУ
Такая схема вычисляет значение суммы для нескольких входных напряжений рис.15.
рис.15 Сумматор на ОУ
Напряжение на выходе определяется по формуле:

7 Схема RC-генератора на ОУ
Данная схема создает синусоидальные колебания на выходе ОУ рис.16
рис.16 Схема RC-генератора
Частота колебаний определяется по формуле:

5 Область применения ОУ

Обычно ОУ применяются для усиления сигналов от различных источников или датчиков.

Усиление сигнала от микрофона в схеме сотового телефона, звуковой карты ПК и т.п..

Усиление сигналов от матрицы сенсоров в цифровом фотоаппарате, в фронтальной камере смартфона. Далее усиленный сигнал подается на схему оцифровки.
В различной измерительной аппаратуре применяются инструментальные усилители для снятия сигналов с термопар, тензодатчиков, болотометров, СВЧ-диодов.
В мобильных устройствах ОУ усиливают сигнала от датчиков приближения (смартфон), датчиков наклона, положения нажатия в сенсорной панели. При этом главные требования к ним – экономичность и Uп=3 В.