Дифференциальный усилитель постоянного тока. Принципы построения.

Термин «операционный усилитель относится к усилителям постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (один вывод). Название этих усилителей связано с первоначальным их применением главным образом для выполнения различных операций над аналого­выми величинами (сложение, вычитание, ин­тегрирование и др.). Однако благодаря достижениям в области микроэлектроники и широкому выпуску операционных усилителей в интегральном исполнении открылись их более широкие схемотехнические возможности. В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Они применяются в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д.

Условное обозначение ОУ показано на рис. 2.39. Один из входов усилителя (Uвх.н «+») называется не инвертирующим, а второй (Uвх.н. «—»)- инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введения в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей.

ДУ- дифференциальный усилитель;УА –усилитель напряжения; УА – усилитель амплитуды.Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое значение К_UОУ операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества каскадов, используемых для получения требуемого значения Ku оу, ОУ подразделяют на двух- и трехкаскадные.

В двухкаскадных ОУ в усилении входного сигнала участвуют входной дифференциальный каскад и один дополнительный каскад, а в трехкаскадных — входной дифференциальный и два дополнительных каскада. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в двухкаскадных — с динамическими нагрузками. Помимо этого, операционные усилители могут содержать вспомогательные транзисторные каскады и элементы, предназначенные, например, для сдвига уровней напряжения в тракте усиления, создания источников стабильного тока, отрицательных обратных связей по синфазным ошибкам усиления и т. д.

Операционные усилители характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными н скоростными параметрами. Рассмотрим наиболее существенные из них.

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 2.41) Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклонного участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениями Uвыхmax, Uвыхmax. Указанные значения максимальных выходных напряжений близки к напряжению E_н источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления K_Uoy =DUвых/DUвх операционного усилителя Значение К_Uоу зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения К_Uоу позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Кривые, приведенные на рис 2.41, проходят через нуль. Состояние, когда U_вьп =0 при U_вх=0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполня­ется (наблюдается разбаланс) При (U_вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля ((U_вьп=-DU_вьп или U_вьп= +DU_вьп). На рис. 2.42 пунктирными линиями показан возможный вид передаточной характеристики реальных ОУ при входном сигнале, подаваемом на иеинвертпрующий вход. Напряжение U_см, при котором U_вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U_см0 и U_ВЬ[Х связаны соотношением U_см0 = U_вьп/K_Uоу - Основной причиной разбаланса ОУ является существующий разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада (в частности, транзисторов). Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей операционных усилителей, которые, в свою очередь, зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада. Наличие входных токов смещения обусловливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада, а их разность — существующим разбросом параметров транзисторов (различием начальных входных токов смещения). Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами баз транзисторов при заземленных входах (базовыми токами транзисторов в режиме покоя), а при наличии каскадов на полевых транзисторах — токами утечек затворов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих его входов включаются резисторы (рис. 2.43). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R₁ и R₂ будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызывает появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса). Ввиду наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы на ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется путем подачи на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада. Для защиты между входами ОУ включают встречно-параллельно два диода или стабилитрона.

Наличие синфазного напряжения на входах ОУ вызывает появление выходной синфазной ошибки усиления. Так же как и для дифференциального каскада, влияние синфазного входного напряжения оценивают коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС).

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление (десятки и сотни ом) достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное и отрицательное), как указывалось, близко к напряжению питания Е_к = Е_к1 =Е_к2 которое может составлять 3–15 В. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ. Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов — его скоростными или динамическими параметрами.

Частотные параметры определяют по амплитудно-частотной характеристике ОУ (рис. 2.44, а), которая имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. Частота f1 при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. По граничной частоте fвп, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в √2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющею для современных ОУ десятки мегагерц.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Ввиду создаваемого усилителем в области высоких частот фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180^е) фазовый сдвиг (рис. 2.44, б). Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360*, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте. Это приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC-цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик. Параметры RС-цепей и места их подсоединения к микросхеме (для исключения самовозбуждения) указываются заводом-изготовителем.

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 2.45, а, б). Скорость нарастания выходного напряжения Vu_вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U_ВЬ1Х до 0,9U_вых. Время установления выходного напряжения t_ycrоценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. Ряд схем ОУ допускают введение корректирующих цепей, улучшающих параметры Vu_вых и t_уст. Для ОУ Vu_вых =0,1 ÷ 100 В/мкс, а t_уст =0,05 ÷ 2 мкс.

Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних отрицательных обратных связей, чему способствует большое значение коэффициента усиления Kuoy, а также высокое входное и малое выходное сопротивления ОУ. Высокие качества параметров современных ОУ позволяют, в частности, без внесения заметной погрешности при расчете схем на ОУ принимать Кuоу → ∞, Кiоу → ∞, Rвхоу → ∞.

Классификация ОУ. По способу построения схемы ОУ делятся на ОУ с гальванически связанными каскадами и ОУ с модуляцией сигнала. В свою очередь ОУ с гальванически связанными каскадами делятся на ОУ с биполярными и полевыми транзисторами на входе. ОУ с модуляцией сигнала делятся на ОУ с прерывателем и варикапно-мостовые.

По типу сигнальных входов ОУ делятся на дифференциальные, инвертирующие и неинвертирующие.

По возможности программирования ОУ делятся на ОУ с внутренней коррекцией и с возможностью программирования. ОУ с возможностью программирования в свою очередь делятся на ОУ с частотной коррекцией и ОУ с токовым программированием. По выходной мощности ОУ делятся на стандартные, мощные и микромомощные. По области предполагаемого применения ОУ делятся на ОУ общего и специального назначения. ОУ специального назначения делятся на измерительные, электрометрические, широкополосные, с быстрым установлением, прецизионные, быстродействующие.