II. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Интегральные операционные усилители.

Интегральный операционный усилитель (ИОУ) – это высококачественный линейный усилитель постоянного тока, изготовленный в виде интегральной микросхемы (ИМС) и применяемый в схемах с обратными связями.

Высокое качество подразумевает:

1. Широкую полосу пропускания (до 100 МГц);

2. Высокий коэффициент усиления (К _U_ОС > 10000);

3. Высокое входное сопротивление (R _ВХ > 10 кОм);

4. Малое выходное сопротивление R _ВЫХ < 100 Ом;

5. Малый дреф (нуля) U _ДР < 1 мкВ на 1^о.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

U_вых = U₁ - U₂

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Структурная схема ИОУ:

1-й каскад максимально компенсирует дрейф нуля. (Дрейф нуля – это появление сигнала на выходе, при отсутствии сигнала на входе).

2-й каскад обеспечивает общую точку выходному напряжению

3-й каскад обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ.

Обозначение ИОУ:

Один вход называют инвертирующим ( Вход 1).Если увеличивать напряжение на этом входе, а на другом поддерживать постоянным, то выходное напряжение будет уменьшаться, то есть входной и выходной сигнал изменяются в противофазе.

Другой вход называется неинвертирующим ( Вход 2). Если увеличивать напряжение на этом входе, а на другом не изменять, то напряжение на выходе будет увеличиваться.

Обобщенная схема ИОУ по переменной составляющей при подаче на вход напряжения Uвх = Uвх₁ – Uвх₂.

К хх – это коэффициент усиления на холостом ходу.

Электрическая схема включения ИОУ:

Для примера рассмотрим микросхему серии К140. – она имеет 8 выводов.

1 – общий вывод (земля или корпус)

3 – инвертирующий вход

4 – неинвертирующий вход

7 – выход

8 – вывод для «+Епит»

5 – вывод для «– Епит»

В реальных ОУ часто режиму Uвых=0 соответствует не нулевое напряжение Uвх= Uвх1- Uвх2 – называемое напряжением смещения.

Потому к выводам 2 и 6 подключают резистор R= 10 кОм для подстройки (нуля) схемы.

Основной характеристикой ИОУ – является передаточная характеристика – это зависимость выходного напряжения от входного. Она имеет вид.

по вертикальной и горизонтальной оси разные масштабы, то есть диапазон входных напряжений на линейном участке очень мал.

Из передаточной характеристики следует, что интегральный операционный усилитель непосредственно в качестве усилителя применять невозможно, так как линейный участок передаточной характеристики ограничен малыми входными напряжениями Uвых m/ Кu.

Кроме того коэффициент усиления ИОУ Кu меняется от экземпляра к экземпляру в широких пределах и сильно зависит от температуры, что обусловлено сильной зависимостью от температуры коэффициента β транзисторов, входящих в состав ИМС. Поэтому ИОУ применяются только в схемах с обратными связями.

Выпускаемые в настоящее время интегральные ОУ классифицируются по следующим группам:

- ОУ общего назначения;

- Прецизионные ОУ, позволяющие поддерживать с высокой точностью большой коэффициент усиления К_U;

- Быстродействующие ОУ, характеризующиеся повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления;

- Микромощные ОУ, потребляющие наименьшую энергию от источника питания.

ИОУ рассчитаны на применение симметричных разнополярных источников питания напряжением от +5В до +27В.

2. Типы интегральных 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, то есть 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: K _U = 20 000 ¸ 200 000; U _см = 0, 1 ¸ 20 мВ; f _т = 0, 1 ¸ 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f _т = 20 ¸ 1000 МГц, r = 10 ¸ 1000 В/мкс). 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. 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. 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. 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%.

123	Поделиться: