34. Операционные усилители, параметры. Устройства преобразования аналоговых сигналов на основе операционных усилителей.

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный УПТ, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с ООС.

Так как ОУ является УПТ, то на входе, выходе и между каскадами у него отсутствуют конденсаторы.

Впервые ОУ были разработаны в 50-х годах XX столетия и изначально предназначались для выполнения некоторых арифметических операций (сложение, вычитание, интегрирование и др.) в аналоговых вычислительных машинах. С развитием ЭВМ и вытеснением аналоговых первоначальная функция ОУ была утрачена, но термин «операционный» за ними сохранился.

Нужно подчеркнуть, что реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах в промышленных масштабах практически невозможно. Поэтому широкое распространение ОУ получили лишь с широким использованием интегральной технологии, где несущественна сложность электрической схемы и легко решается проблема симметрии.

Большой коэффициент усиления, высокие термостабильность и помехозащищенность, другие параметры, благодаря которым ОУ можно назвать высококачественным, достигается ценой десятков и сотен транзисторов. Как мы знаем, интегральную технологию отличает высокая повторяемость параметров элементов. Поэтому можно изготовлять ОУ с заданными параметрами в едином корпусе, что позволяет рассматривать ОУ как самостоятельный компонент наряду с транзисторами, резисторами и пр. Налицо двойственность подхода к ОУ, отражающее развитие электроники. С одной стороны, ОУ – достаточно сложный усилитель, содержащий сотни транзисторов, с другой, – он является одним из компонентов электрических схем, имеющим свои УГО, параметры и характеристики.

Любой ОУ содержит входной ДУ, каскад усиления напряжения и выходной каскад усиления мощности. Поэтому ОУ имеет два входа, которые называют инвертирующим и неинвертирующим.

Возможны два варианта обозначения ОУ (рис.2.15): без дополнительных полей (вариант а) и с дополнительными полями (вариант б). Инвертирующий вход отличает обозначение окружностью. Дополнительные поля отчерчиваются прямыми и обозначаются соответственно их назначению, например, FC – выводы частотной коррекции, NC – выводы балансировки.

Частотная коррекция необходима, чтобы устранить возможные автоколебания при введении ОС. Выводы балансировки предназначены для подключения подстроечного резистора с целью дополнительной, более точной балансировки плеч ОУ. Обычно справочный материал содержит информацию по использованию выводов частотной коррекции и балансировки.

Современные ОУ, как правило, имеют цепи внутренней частотной коррекции, а дополнительная балансировка часто не требуется. Поэтому ОУ, у которых дополнительные выводы в конкретной схеме не используются, целесообразно обозначать в упрощенном виде – без дополнительных полей.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на ОУ:

1) общего применения, где к ним не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента;

2) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления;

3) быстродействующие, имеющие большую скорость изменения выходного напряжения и использующиеся для построения импульсных и широкополосных устройств.

Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), их удобно использовать в батарейной аппаратуре. У многих имеется защита от перегрузок и коротких замыканий по выходу.

Большинство выпускаемых ОУ имеет напряжение питания 3…15 В.

Все параметры ОУ делят на две группы: статические (по постоянному току) и динамические.

Основные статические параметры ОУ:

1) коэффициент усиления напряжения (коэффициент усиления дифференциального сигнала) К_уu = u_вых / u_вх. Для современных ОУ он может достигать нескольких миллионов;

2) коэффициент ослабления синфазного входного сигнала К_ос.сф. Он равен 60…120 дБ;

3) напряжение смещения U_см – значение напряжения на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления. Показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ, чтобы получить на выходе u_вых = 0. Для получения U_см = 0 необходима дополнительная балансировка. Напряжение смещения находится в пределах U_см = 0,005…50 мВ;

4) входные токи I_вх1, I_вх2, разность входных токов I_вх = I_вх1 – I_вх2, определяемые при u_вых = 0. Нормирование вызвано необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного ДУ. Разность токов обусловливает появление между входами дифференциального напряжения;

5) температурные дрейфы напряжения смещения U_см/Т, разности входных токов I_вх/Т – характеризуют изменение соответствующих параметров при изменении температуры. Эти параметры важны для прецизионных усилителей, так как скомпенсировать температурные изменения сложно;

6) напряжение питания U_пит. Различают номинальное напряжение питания и допустимый диапазон напряжений питаний;

7) выходной ток I_вых (5…20 мА);

8) входное сопротивление R_вх0 (0,1…1000 МОм).

Динамические параметры ОУ:

1) верхняя граничная частота полосы пропускания f_В. Граничной считают частоту, на которой коэффициент усиления снижается в раз (по сравнению сf = 0);

2) скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых – максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Параметр определяет минимальную длительность фронтов выходного сигнала.

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент усиления по напряжению более тысячи. Он имеет дифференциальный входной каскад, т.е. имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.

Своему названию ОУ “обязан” аналоговым вычислительным машинам, так как первоначально он был ориентирован на моделирование различных математических операций. Появление ОУ в виде интегральных микросхем привело к быстрому росту популярности ОУ в реализации аналоговой и гибридной электронной схемотехники. Условное обозначение ОУ показано на рис. 5.3.

Благодаря большому коэффициенту усиления (современные ОУ имеют коэффициент усиления К=10⁵ ...10⁶) и малым входным токам, усилители, построенные на базе ОУ, обладают уникальными свойствами. В частности, параметры многих устройств определяются только внешними цепями - цепями обратной связи, соединяющими выход ОУ с его входом. Например, коэффициент усиления усилителя, схема которого показана на рис. 5.4 (а), определяется с высокой точностью отношением сопротивлений двух резисторов К=-R_ос/R.

Если на инвертирующий вход  усилителя на ОУ подать сигнал от нескольких источников (рис. 5.4, б), то выходной сигнал определяется как произведение суммы входных токов на величину сопротивления резистора обратной связи

U_вых = -R_ос(I_вх1+I_вх2+. . . . +I_вх.n).

  Входной ток от каждого источника определяется как отношение

I_вх=U_вх/R_i,

где R_i - сопротивление резистора в цепи i-того входа.

Свойство ОУ суммировать входные токи с последующим преобразованием в напряжение широко используется при построении ЦАП и АЦП. На базе ОУ можно построить компараторы напряжения (сравнивающие устройства). При использовании ОУ в качестве компаратора напряжения на один его вход подается опорное напряжение U_оп, на второй - напряжение обрабатываемого (преобразуемого) сигнала U_x. При соответствующих условиях на выходе компаратора формируется сигнал логической“1”, если (U_оп - U_x) >Du_кв, и логического “0”, если (U_оп - U_x)<Du_кв (рис. 5.5). Шаг квантования Du_кв  обычно выбирается в пределах 5 . . . 10 мВ. Значение опорного напряжения и время установки компартора зависят от конкретного типа используемой интегральной микросхемы и условий его эксплуатации.