2.15. Аналоговые микросхемы, используемые для построения функциональных элементов ио

Функциональные элементы, применяемые в преобразующей, сравнивающей и исполнительных частях ИО, выполняются на аналоговых ИМС. В качестве такой микросхемы служат интегральные операционные усилители (ИОУ), являющиеся основным видом аналоговых микросхем, применяемых для преобразования непрерывных сигналов. Они выполняются в виде многокаскадных транзисторных усилителей постоянного тока с непосредственными (гальваническими) связями. От остальных усилителей этого типа ОУ отличаются высокой точностью преобразования входных сигналов и универсальностью применения. В релейной защите ОУ получили широкое распространение в качестве базовых элементов для построения измерительных органов РЗ [34-36, 46-49].

Операционные усилители должны иметь возможно больший коэффициент усиления по напряжению К_У=U_ВЫХ/U_BX, очень большое сопротивлениеR_BXи малое выходноеR_ВЫХ, низкий уровень внутренних помех¹и широкую частотную полосу пропускания входных сигналов Δf, начиная сf= 0. Идеальным считается ОУ, обладающий К_У= ∞,R_BX= ∞,R_ВЫХ= 0, не имеющий погрешности преобразования, с полосой пропускания частот Δfот 0 до ∞. В отечественной практике приме.няются ОУ, имеющие К_У = 5 ∙ 10⁴,R_BX≈ 300 кОм,R_ВЫХ= 50 Ом, частотный диапазон от 0 до 10³Гц, напряжение смещения нуляU_CM, не больше 5-10 мВ.

Структурная схема ОУ, состоящего из трех каскадов, показана на рис. 2.42, а. Входной каскад А1 выполняется по схеме дифференциального усилительного каскада, важным свойством которого является хорошая отстройка от внешних и внутренних помех. Это свойство дифференциального каскада (ДК) поясняет его упрощенная схема, приведенная на рис. 2.42,б. Каскад построен по балансово-параллельной (мостовой) схеме и состоит из двух симметричных параллельных ветвей. Образующие их транзисторыVT1,VT2 и резисторыR1,R2 должны иметь идентичные параметры. Входные напряженияU_BX1, иU_BX2 преобразуются транзисторамиVT1 иVT2 в выходные напряженияU_ВЫХ1= К_УU_ВХ1иU_ВЫХ2= К_УК_ВХ2.

Применение дифференциальной схемы во входном каскаде обеспечивает основные качества ОУ– точность, стабильность выходных сигналов, повышает значение входного сопротивления и благодаря наличию двух дифференциальных входов расширяет функциональные возможности ОУ.

Однако при простой схеме ДК получить К_Унеобходимого уровня не удается. Дополнительное усиление входных напряжений обеспечивается вторым каскадом А2. Этот каскад обычно выполняется также по схеме с ДК с двумя входами, но с одним выходом, поскольку третий каскад АЗ имеет один вход.

Выходной каскад АЗ предназначен для усиления мощности выходного сигнала и согласования выхода ОУ с нагрузкой, что получается за счет малого значения его R_ВЫХ. Этот каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя [13], его выход 3 (рис. 2.42, а) является выходом ОУ, к которому подключается нагрузка. Имеются двухкаскадные ОУ, в которых применяются усовершенствованные схемы входного и выходного каскадов, при которых промежуточный каскад не нужен.

Конструктивно ОУ изготавливается в виде полупроводниковой монолитной ИМС. Схема ОУ содержит 30 элементов и более.

На ОУ через зажимы 4 и 5 подается питание от двух источников постоянного тока +Е_Пи –Е_П(обычно ± 15) с общей нулевой шинкой, которая может заземляться, на схемах она показывается короткой жирной чертой (рис. 2.43, а). Операционный усилитель имеет два входа 1 и 2, являющихся входами дифференциального каскада, и осуществляет усиление напряжения, приложенного между ними. Это напряжение обычно называется дифференциальным входным сигналомU_BX.Д, поскольку оно равно разности потенциалов входов 1 и 2:

U_BЫX= К_У(U_BX–U_BX) = К_УU_BX.Д. (2.25)

Знак выходного напряжения определяется знаком разности U_BX1, –U_BX2. В релейных схемах ОУ часто используется и как усилитель одного входного напряжения, подаваемого на вход 1 или 2. При этом на второй вход подается нулевой сигнал, для чего он соединяется с нулевой шинкой. При подаче на вход 2 напряжения +U_BX2, а на вход 1 нулевого сигнала дифференциальный входной сигналU_BX.Д = 0 –U_BX2. В этом случае

U_BЫX= К_У(0 –U_BX2) = – К_УU_BX2. (2.26)

Знак минус означает, что при подаче напряжения на вход 1 выходной сигнал имеет полярность, противоположную полярности входного напряжения. Поэтому вход 1 получил название инвертирующего входа (сокращенно И-вход), на релейных схемах обычно обозначается буквой И, на условном изображении ОУ И-вход обозначается знаком "–" или кружком (рис. 2.43, б, в).

Второй вход (2 на рис. 2.43) называется неинвертирующим (Н-вход). При подаче на него напряжения +U_BXи соединении входа 2 с нулевой шинкой на выходе ОУ появляется сигналU_BЫX= К_У(U_BЫX– 0) = К_УU_BX1с тем же знаком, что и уU_BX1. Поступающий на вход 2 сигнал обозначается индексом ”Н” (U_вхН). На условном изображении ОУ (рис. 2.43,а) неинвертирующий вход обозначается " + ".

Передаточная характеристика ОУ, определяющая зависимость U_BЫX от значений дифференциального входного сигнала, изображена на рис. 2.44 (кривая 1). Как и у любого транзисторного усилителя, характеристика ОУ имеет линейную и насыщенную (нелинейную) части.

В линейной части характеристики ОУ работает как аналоговый элемент, преобразующий непрерывный входной сигнал U_BX.Д в непрерывный выходнойU_BЫX= К_УU_BX.ДНаклон линейной части определяется значением К_У. В области насыщения (за точками А₁, и А₂) ОУ может работать в режиме переключателя (электронного ключа) при дискретном изменении входного сигнала (например, сна), при этомU_BЫXизменяется скачком от начального +U_BЫXMAXдо –U_BЫXMAX. Значение +U_BЫXMAXограничивается значением напряжения источника питания и должно быть меньше последнего на 2-3 В.

Характеристика 1 показана проходящей через начало координат, что возможно только при отсутствии погрешности, обусловленной разбалансом входного каскада. При наличии погрешностей действительная характеристика будет сдвинута относительно начала координат на величину U_СД0, и будет изображаться кривой 2 или 3 (рис.2.44).

Операционные усилители в большинстве случаев их применения дополняются внешними обратными связями (ОС) (рис. 2.45), что позволяет выполнять ряд различных по своим функциям элементов путем выбора способа включения и параметров СС. С помощью ОС выходной сигнал (напряжение или ток) воздействует на вход ОУ, усиливая или ослабляя значение входного сигнала U_BЫX. Обратная связь, уменьшающая входной сигнал, называется отрицательной, а увеличивающая его – положительной. Обратная связь выполняется на пассивных элементах: резисторах либо конденсаторах (R или С). Отрицательная ОС снижает уровень помех, увеличивает линейность характеристики, повышает ее стабильность, уменьшает коэффициент усиления, расширяет линейный участок

проходной характеристики ОУ, позволяет менять параметры для получения нужных функциональных элементов. В релейных схемах используется главным образом отрицательная ОС по напряжению, включаемая параллельно входу и выходу ОУ (рис. 2.45, а).

Рассмотрим две простейшие типовые схемы ОУ (инвертирующего и неинвертирующего), на базе которых выполняются схемы более сложных функциональных элементов. Будем считать, что ОУ обладает идеальными параметрами, что позволяет сделать два допущения:

1) при работе ОУ в линейном режиме U_BЫX= К_УU_BЫX, отсюдаU_BX=U_BЫX/К_У, а так как у идеального ОУ К_У= ∞, то, следовательно,U_BX=U_Н–U_И= 0;

2) поскольку у идеального ОУ R_ВХ = ∞, то при любом значении входного напряженияU_BXвходной ток ОУI_BX =U_BX/R_BX= 0.

Сопоставление выходных напряжений, рассчитанных с указанными допущениями, с точными расчетами показывает, что погрешность расчета очень мала (примерно 0,6%) и находится в допустимых пределах [34].