Шарапов А.В. Аналоговая схемотехника

Подождите немного. Документ загружается.

Приведенное схемное решение характерно для интегральной техноло-

гии изготовления операционных усилителей. Применение транзисторных

структур в качестве динамических нагрузок не только повышает коэффици-

ент усиления каскадов, но и уменьшает площадь, которую они занимают на

поверхности кристалла по сравнению с резистивной нагрузкой.

Для повышения входного сопротивления ОУ входной каскад переводят

в режим микротоков. Он дает усиление порядка ста. Основное усиление по

напряжению (порядка нескольких тысяч) дает каскад на транзисторе VT7.

Корректирующий конденсатор С

корр

делает постоянную времени каскада на

транзисторе VT7 много большей постоянных времени других каскадов, что

обеспечивает возможность охвата ОУ отрицательной обратной связью боль-

шой глубины без потери устойчивости усилителя.

Рис. 11.5 – Вариант принципиальной схемы ОУ

корр

2VD

3VD

10V

вых

1VD

−

11.3 Основные параметры и типовые схемы включения

операционных усилителей

В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом

параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и харак-

теристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самы-

ми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Та-

кая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких

типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внеш-

них цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые,

частотно-зависимые и другие элементы.

На рис. 11.6 приведена схема включения сдвоенного ОУ с внутренней

цепью частотной коррекции, выполненного на микросхеме К14ОУД20. Пока-

зана цепь балансировки нуля, с помощью которой устраняется начальный

сдвиг нулевого уровня на выходе операционного усилителя.

Условное графическое обозначение ОУ показано на рис.11.7, а. На этом

же рисунке приведены амплитудная (11.7, б) и амплитудно-частотная (11.7, в)

характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинверти-

рующий (U

) и инвертирующий (U

–

). Уровни положительного и отрицатель-

ного ограничения приближаются по

величине к напряжениям двухполяр-

ного источника питания. Возможное

смещение амплитудной характери-

стики относительно начала коорди-

нат характеризует напряжение сме-

щения U

см

. Амплитудно-частотная

характеристика ОУ в области верх-

них частот вплоть до частоты еди-

ничного усиления f

спадает с таким

наклоном, при котором во сколько

раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз

изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на

20 дБ в логарифмическом масштабе).

–Е

+Е

Рис. 11.6

–

Схема включения ОУ

Рис. 11.7

–

Основные ха

акте

истики ОУ

вых

)

см

–

)

−+

−

UUU

вх

К, дБ

дек

дБ

20−

в)

вых

При практическом применении операционных усилителей разработчи-

ков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включе-

ния и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):

1) коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);

2) входное сопротивление (R

вх

– сотни килоом);

3) выходное сопротивление (R

вых

– сотни ом);

4) напряжение смещения (U

см

= 1мВ);

5) входной ток (I

вх

= 100 нА);

6) коэффициент подавления синфазного сигнала (M

сф

= 70 дБ);

7) частота единичного усиления (f

= 0,5 МГц);

8) напряжение питания

);В205(

−

9) дрейф напряжения смещения

СмкВ2δ

см

=U .

Упрощенный анализ устройств на ОУ будем проводить для идеального

операционного усилителя, т.е. имеющего

∞

вх

∞

R ,0

вых

=R ,0

см

вх

=I .

сф

∞=М По мере совершенствования схемотехники и технологии

изготовления ОУ их характеристики все больше приближаются к идеальным.

Получим основные соотношения для типовых включений ОУ. В практи-

ческих схемах в качестве Z1 и Z2 могут использоваться резисторы, конденса-

торы, катушки индуктивности, а также двухполюсники, составленные из их

последовательного или параллельного соединения. Потенциалы инверти-

рующего и неинвертирующего входов идеального ОУ можно считать одина-

ковыми.

При

инвертирующем включении (рис. 11.8, а) через элемент Z1 течет

ток

вх1

/ZUi = Точно такой же ток течет и через Z2, т.к. .

вх

∞=r Таким об-

разом,

вх

ОСвых

ZiU −=−= а

ОС

K −= (11.14)

При

неинвертирующем включении (рис. 11.8, б) по цепи ОС течет ток

вх

ОС

i =

и ,

2)1(

вх

ОС1вых

ZZU

ZiZiU

=+= откуда

ОС

К +=

. (11.15)

Рис. 11.8 – Типовые схемы включения ОУ: а) инвертирующее;

б) неинвертирующее

вх

а)

ОС

б)

вых

вх

вых

ОС

12 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

12.1 Инвертирующий усилитель постоянного тока

В инвертирующем УПТ (рис. 12.1, а) резистор R3 поставлен для улуч-

шения температурной стабильности режима (уменьшения ошибок сдвига и

дрейфа нулевого уровня) и может отсутствовать. Операционный усилитель

охвачен параллельной ООС по напряжению.

Для идеального ОУ коэффициент усиления УПТ определяется соотно-

шением (11.14) при Z1=R1, Z2=R2. Следовательно,

ОС

К −= .

Относительная погрешность коэффициента усиления за счет неидеаль-

ности резисторов (учитывающая их технологические и температурные по-

грешности

R∆ и

R∆ )

[]

γγ,γ

ОС

21 RR

RR −=−=

∂

==∆∆ ,

где

– относительная погрешность резисторов.

Для повышения точности используются прецизионные резисторы с

одинаковыми температурными коэффициентами сопротивления.

С учетом конечности коэффициента усиления K реального ОУ (см.

сигнальный граф, представленный на рис. 12.1, б) уточненное значение K

ОС

можно записать в виде

β1

ОС

−=

−

= .

вх

а)

вых

-K

вх

вых

– коэффициент передачи входной цепи;

= – коэффициент обратной связи.

б)

Рис. 12.1

–

Инвертирующий УПТ

Относительная погрешность K

ОС

за счет нестабильности коэффициента

усиления K операционного усилителя зависит от глубины обратной связи

()

ОС

β1 KKAK ==+ :

[]

β1

=∆ , где

∆

=γ

– относительная нестабильность K .

Например, при

%50γ,100,10

ОС

±===

KK получаем

[]

%05,0

10050

±=

⋅

=∆K .

Возможная величина сдвига нулевого уровня (значение выходного на-

пряжения при нулевом входном напряжении УПТ) определяется напряжени-

ем смещения и входными токами реального ОУ (рис. 12.2):













⋅

−+

=∆

−+

R21

см

вых

сдв

IRIU

U . (12.1)

Резистор R3 вводится

в усилитель с целью

уменьшить погрешность

сдвига от входных токов I

−

I . В случае равенства

этих токов полная коррек-

ция погрешности достига-

ется при

213 RRR = . Одна-

ко в общем случае входные

токи ОУ не равны друг дру-

гу. Имеется не равный нулю

разностный входной ток

−+

−

∆

III

вх

. Поэтому при

выполнении условия компенсации можно записать соотношение (12.1) в виде

R21

вхсмвхсм

вых

сдв

U ∆+

























⋅

∆+

=∆ .

С помощью балансировки нуля при комнатной температуре погреш-

ность сдвига можно скорректировать до нуля. Но при изменении температу-

ры окружающей среды может появиться погрешность дрейфа за счет темпе-

ратурной нестабильности

см

U и

вх

∆

(

∆

– диапазон изменения температу-

ры):

ТRIТ

UU ∆∆+∆













+=∆ 2δ

1δ

вхсм

вых

др

Входное сопротивление УПТ (как усилителя с параллельной ООС)

вхвх

rRR ≈

+= .

см

сдв

вых

U∆

Рис. 12.2 – К анализу сдвига нуля на

выходе УПТ

Выходное сопротивление УПТ (как усилителя с ООС по напряжению)

β1

вых

Если передаточная функция операционного усилителя описывается вы-

ражением

()

оу

τ1 р

рК

, где

1оу

π2τ fК

, то передаточную функцию ин-

вертирующего УПТ можно записать в виде

()

β1

оу

ОС

рК

−

Верхняя граничная частота полосы пропускания УПТ на уровне 3 дБ

определяется соотношением

= .

Она тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ.

12.2 Неинвертирующий усилитель постоянного тока

В неинвертирующем УПТ (рис. 12.3, а) операционный усилитель охва-

чен последовательной ООС по напряжению. С учетом конечности величины

К реальных ОУ сигнальный граф неинвертирующего УПТ можно предста-

вить в виде, показанном на рис. 12.3, б.

Для идеального ОУ коэффициент усиления равен (см. выражение 11.15

при Z1=R1, Z2=R2)

ОС

К += .

Коэффициент усиления УПТ с учетом конечности К

ОС

= .

вых

-K

б)

вх

вых

Рис. 12.3 – Неинвертирующий УПТ

вх

а)

Относительная погрешность коэффициента усиления УПТ за счет не-

идеальности резисторов в цепи ОС

[]

(

)

γγ

,γ

ОС

RR −

==∆∆ .

Входное сопротивление неинвертирующего УПТ (оно существенно

больше входного сопротивления инвертирующего УПТ за счет последова-

тельной ООС по напряжению)

(

)

[

]

3β1

вхсфвх

RКrrR

= .

Соотношения для оценки сдвига и дрейфа нулевого уровня такие же,

как для инвертирующего УПТ (сравните схемы рис. 12.1 и рис. 12.2 при зако-

роченном U

вх

вхсм

вых

сдв

UU ∆+













+=∆ при 213 RRR

;

ТRIТ

UU ∆∆+∆













+=∆ 2δ

1δ

вхсм

вых

др

Не отличаются от выражений, полученных для инвертирующего УПТ,

соотношения для оценки выходного сопротивления и полосы пропускания

неинвертирующего УПТ:

β1

вых

= и

= .

Достоинство неинвертирующего УПТ – большое входное сопротивле-

ние, недостаток по сравнению с инвертирующим – дополнительная погреш-

ность сдвига за счет синфазного сигнала на входе ОУ:

ОС

сф

вх

вых

сф

U =∆

Идеальным согласующим элементом является повторитель напряжения

(рис. 12.4). Это частный случай неинверти-

рующего УПТ при 0,1

∞

Для него основные соотношения можно

записать в следующем виде:

ОС

К ; 1β

;

()

КrrR +

вхсфвх

;

вых

;

см

вых

сдв

∆

;

ТUU

∆

см

вых

др

;

[]

=∆

γ ;

1в

ff =

Повторитель напряжения обладает большим входным сопротивлением

(практически бесконечным), практически нулевым выходным сопротивлени-

ем, широкой полосой пропускания, малой величиной сдвига и дрейфа нулево-

го уровня.

вых

Рис. 12.4 – Повторитель

напряжения

вх

12.3 Дифференциальный УПТ

Выходное напряжение устройства, представленного на рис. 12.5, оп-

ределяется соотношением

вых

−













= .

При одинаковом отношении со-

противлений

= (12.2)

получаем

()

вых

UUU −=

т.е. напряжение на выходе УПТ

пропорционально разности вход-

ных напряжений и усилитель ста-

новится дифференциальным.

Напряжение смещения и входные токи реального ОУ вызовут в этом

усилителе сдвиг выходного напряжения на величину













⋅

−

⋅

=∆

−+

R21

см

вых

сдв

Сдвиг за счет входных токов уменьшается при выполнении условия

2143 RRRR = . (12.3)

Одновременное выполнение условий (12.2) и (12.3) обеспечивается при

равенстве сопротивлений

R1=R3 и R2=R4. В этом случае сдвиг имеет мини-

мальное значение

вхсм

вых

сдв

∆+













+=∆ .

Недостатками простой схемы дифференциального усилителя являются

малое входное сопротивление и трудность регулировки коэффициента усиле-

ния. От этих недостатков свободен измерительный усилитель (рис. 12.6). Не-

инвертирующее включение

DA1 и DA2 обеспечивает большое входное со-

противление по обоим входам. Разность потенциалов (

– U

) можно опре-

делить как

).(

1)α2(

)α(

UURR

RRRIUU −













+=+

−

=++=−

Выходное напряжение повторяет эту разность:

4343вых

−=−













Следовательно:

.)()(

12ОС1243вых

UUKUUUUU −=−













+=−=

вых

Рис. 12.5 – Дифференциальный УПТ

Входные сопротивления по обоим входам можно считать равными бес-

конечности. С по-

мощью переменно-

го сопротивления

αR можно плавно

менять коэффици-

ент усиления изме-

рительного усили-

теля. При реализа-

ции усилителя в

виде интегральной

микросхемы требу-

ется подключение

только переменного

резистора

αR.

12.4 Аналоговый сумматор

Схема, приведенная на рис. 12.7, позволяет просуммировать три анало-

говых входных напряжения

321

,, UUU . Так как инвертирующий вход ОУ яв-

ляется точкой кажущейся земли (0

≈

−

U ), можно определить токи во входных

цепях ,1

/RUi = ,2/

RUi

. Так как входное сопротивление

идеального ОУ равно бесконечности, суммарный ток протекает через

ОС

R и

создает на нем падение напряжения

321

ОС

ОС321ОСвых













++−=

−

)Rii(iiRU

т.е. выходное напряжение пропор-

ционально сумме входных напря-

жений (с соответствующими масш-

табными коэффициентами).

Для уменьшения влияния вход-

ных токов ОУ между неинвертирующим входом и общим выводом

желательно поставить сопротивление

ОС

3214 RRRRR

. Тогда погрешность

сдвига и дрейфа выходного напряжения можно определить по формулам:

;

321

ОСвх

ОС

см

вых

сдв

RRR

UU ∆+













+=∆

ТRIТ

RRR

UU ∆∆+∆













+=∆

ОСвх

ОС

см

вых

321

1δ

др

Рис. 12.7 – Аналоговый сумматор

вых

ОС

αR

вых

DA1

DA2

DA3

Рис. 12.6 – Измерительный УПТ

12.5 Аналоговый интегратор

Для идеального ОУ кооэффициент передачи устройства, показанного на

рис. 12.8, а, определяется соотношением

()

ОС

рR

рС

рК −=−= , где

τ . (12.4)

Передаточная функция (12.4) соответствует идеальному интегратору.

ЛАЧХ его коэффициента передачи идет с наклоном –20 дБ/дек, пересекая ось

абсцисс при

τ1ω = . Для интегратора справедливы соотношения: RUi /

вх1

,)(

выхОС

/dttdUCi ⋅= поэтому

∫

−= .

вхвых

(t)dtU

(t)U

Оценим петлевое усиление контура ООС в интеграторе с учетом

конечности коэффициента передачи реального ОУ

() () ()

τ1

оу

ррКрТ

⋅

=⋅= ,

где

()

оу

τ1 р

рК

– передаточная функция операционного усилителя;

()

ррС

– коэффициент обратной связи.

а)

ОС

вых

(t)

вх

(t)

в)

∆U

вых сдв

вх

см

б)

-40

К,

дБ

оу

π2

f =

оу

вх

Рис. 12.8 – Аналоговый интегратор