Типы операционных усилителей
В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.
С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.
Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 ё 200 000; Uсм = 0,1 ё 20 мВ; fт = 0,1 ё 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.
Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fт = 20 ё 1000 МГц, r = 10 ё 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.
Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).
Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение — к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ — десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.
Если источник сигнала — однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, — диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В.
Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.
Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А.
Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D (ключевой режим). Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.
В табл. 1 приведены основные параметры некоторых моделей ОУ различных типов.
Прецизионный операционный усилитель что это
Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы
Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:
— ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);
— ОУ с однополярным питанием;
— ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).
Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.
Рисунок OPAMP.1 — Условное обозначение операционного усилителя
Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:
При отсутствии обратной связи напряжение на выходе Vout в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:
Vout – напряжение на выходе ОУ;
V+ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;
V− – напряжение на инвертирующем (-) входе;
Gopenloop — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.
В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:
— схема неинвертирующего усилителя;
— схема инвертирующего усилителя;
— схема дифференциального усилителя.
Основные параметры операционного усилителя
1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.
2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.
3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.
4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.
5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.
6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.
7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.
8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.
9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.
10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.
11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.
12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).
13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).
14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).
15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).
Основные схемы включения операционных усилителей
Схема неинвертирующего усилителя
На рисунке OPAMP.2 изображена электрическая схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её частный случай — повторитель напряжения. Резисторы R1 и R2 образуют резисторный делитель, обеспечивающий отрицательную обратную связь – часть напряжения с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход усилителя. Коэффициент усиления регулируется глубиной обратной связи – коэффициентом деления резисторного делителя. Если же напряжение с выход ОУ напрямую подается на инвертирующий вход, то получается схема повторителя напряжения. Преимуществом схемы неинвертирующего усилителя является высокое входное сопротивление, отсутствие инверсии сигнала.
Рисунок OPAMP.2 — Схема неинвертирующего усилителя (a) и повторителя напряжения (b)
Схема инвертирующего усилителя
На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.
Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.
Рисунок OPAMP.3 — Схема инвертирующего усилителя
Схема дифференциального усилителя
Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:
Выходное напряжение равно:
Рисунок OPAMP.4 — Схема дифференциального усилителя
Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя
Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина RL – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.
Рисунок OPAMP.5 — Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя усилителя (единичный коэффициент усиления, RL – внутренне нагрузочное сопротивление, выбирается в соответствии с параметрами ОУ)
Виртуальный ноль для питания операционных усилителей
В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.
Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей
Прецизионные операционные усилители
В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Прецизионные усилители, используемые для этих целей, должны обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 10 5 ) и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и его дрейфом, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Для построения такого усилителя, называемого иногда инструментальным и способного с большой точностью фиксировать эти параметры, обычно используются два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными, хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами отрицательной обратной связи, от которых в значительной мере зависит погрешность усиления.
Приемлемую схему инструментального усилителя можно получить, если на входе универсального ОУ использовать специальный прецизионный усилитель с небольшим коэффициентом усиления напряжения, но с высоким входным сопротивлением и малым дрейфом напряжения смещения. Такой входной каскад обеспечит точный прием и неискаженную передачу информации для дальнейшей обработки на универсальный ОУ, который, в свою очередь, обеспечит требуемый коэффициент усиления (более 10 5 ).
В настоящее время по этому принципу разработано несколько ОУ. Прецизионный усилитель КМ551УД1 имеет малое напряжение смещения нуля (менее 0,5 мВ), малые уровни дрейфа нуля и шумов и К > 10 6 . Но основным достоинством этого ОУ является то, что он позволяет поддерживать с высокой точностью большое значение коэффициента усиления операционного усилителя, замкнутого отрицательной обратной связью. Таким образом можно получить К= (1000 ± 0,3) %.
Характеристики данного усилителя обеспечиваются входным каскадом, который построен по простой дифференциальной схеме с резисторными нагрузками (рис. 6.10, а).
Для уменьшения дрейфов входные транзисторы VТ1 и VТ2 представляют как параллельные соединения двух транзисторов (рис. 6.10, б).
Амплитудно-частотная характеристика ОУ корректируется двумя цепями частотной коррекции (рис. 6.10, в).
Мощные операционные усилители
Операционный усилитель К157УД1 представляет собой мощный усилитель с выходным током до 0,5 А, построенный по классической двухкаскадной схеме на основе полупроводниковой технологии с изоляцией p — n -перехода (рис. 6.11, а). Кристалл ОУ помещается в прямоугольный пластмассовый корпус, позволяющий рассеивать значительную мощность. Характеристики этого ОУ приведены на рис. 6.11, б.
Рис. 6.11. Схема включения (а) и частотные характеристики (б) мощного ОУ типа К157УД1
Операционные усилители в моделировании математических операций
С помощью ОУ можно моделировать различные математические преобразования. На базе этих элементов строятся аналоговые вычислительные машины.
На рис. 6.12, а представлена схема инвертирующего усилителя.
Для расчета элементов этого усилителя воспользуемся двумя положениями:
напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны, т.е. U+ = U— ;
входной ток усилителя равен нулю по любому из входов, т.е. 11 = 12=0.
В данной схеме U+ = 0, а значит, и U— = 0. Следовательно, входной ток 1вх= U/R1. Ток 12 протекающий через резистор R2, равен U/R2 .Так как ток Iвх = 12, то Uвх/R1= Uвых/R2 и коэффициент передачи
К =Uвых/ Uвх = R2/R 1.
На рис. 6.12, б показана схема инвертирующего сумматора, выходной сигнал которого описывается выражением
U = — (U1R / R1 + U2R /R2 + U3R /R3 +. + UnR /Rn)
Схема инвертора с регулируемым усилением изображена на рис. 6.12, в. Его выходной сигнал
Uвых= — KU /( 1— K)
Рис. 6.12. ОУ для моделирования математических операций:
а — инвертирующий усилитель; б — инвертирующий сумматор; в — генератор с регулируемым усилением; г — инвертор-усилитель с линейной зависимостью; д — повторитель; е — каскад вычитания; ж — усилительное вычитающее устройство; з — аналоговый интегратор и его частотная характеристика; и — идеальный дифференциатор и его частотная характеристика; к — логарифмический усилитель
Схема инвертора-усилителя с линейной зависимостью усиления от положения движка показана на рис. 6.12, г. Его передаточное уравнение имеет вид
где к — часть переменного сопротивления R2.
В схеме повторителя, показанной на рис. 9.18, д, Uвых = Uвх.
В каскаде вычитания двух входных сигналов, показанном на рис. 6.12, е, выполняется следующее равенство: Iвх = Iвых. Тогда (U1 – U+)/R1 =(Uвых – U+)/R1 и U1— U+ = Uвых + U+ .
Учитывая, что U— = U2 / 2 = U+, получим
Тогда выражение для выходного напряжения можно записать в виде
Схема усилительного вычитающего устройства показана на рис. 6.12, ж. Его передаточная функция описывается вы
Схема аналогового интегратора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, з. Передаточная функция аналогового интегратора описывается выражением
Схема идеального дифференциатора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, и. В этом каскаде для высоких частот коэффициент усиления принимает максимально возможное значение.
Схема логарифмического усилителя показана на рис. 6.12, к. Для этого каскада можно составить следующее уравнение:
где S— коэффициент пропорциональности.
Передаточная функция этого усилителя описывается выражением
где А — коэффициент передачи.
Во всех схемах с ОУ на свободный от функций входной вывод подключается резистор R0, номинал которого определяется суммарным сопротивлением по другому входу.
Прецизионные (высокоточные) ОУ
Оптимизированы по статическим параметрам, что позволяет во многих случаях отказаться от применения внешней подстройки. Предназначены для использования в контрольно-измерительной аппаратуре. Используются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех. Характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие. Увеличение Ки возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или в результате применения трехкаскадной схемы (например, в 551 УД 1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ) либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХШ М, OPAT11 (без прерывания), ICL1652, 140УД24, Л/ДА430 (с прерыванием).