7. Интегральные операционные усилители. Лекция 19

7. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
/ОУ/
 Школа Н.Ф.
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА»
«АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА»
Ч.1. «АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА»
Лекция №19 2005 г.
7.1. Свойства ОУ, их классификация
Операционным
усилителем
(ОУ)
называется:
• усилитель
напряжения
с
непосредственными связями,
• с большим коэффициентом усиления;
• способный устойчиво работать с
замкнутой петлей ООС,
• предназначенный для выполнения
различных операций с аналоговыми
сигналами.
• Все эти операции ОУ выполняет с
помощью
цепей
положительной
и
отрицательной обратной связи.
(В состав цепей ОС могут входить
сопротивления, емкости и индуктивности,
диоды, стабилитроны, транзисторы и
другие электронные элементы).
• Поскольку все операции, выполняемые при
помощи ОУ, должны иметь нормированную
погрешность, то к его характеристикам
предъявляются определенные требования.
Входная цепь ОУ обычно выполняется по
дифференциальной схеме, а это значит, что
входные сигналы можно подавать на любой из
двух входов, один из которых изменяет полярность
выходного напряжения и поэтому называется
инвертирующим,
а
другой
не
изменяет
полярности выходного напряжения и называется неинвертирующим.
инвертирующий
ВХОДЫ
неинвертирующий
ВЫХОД
ВХОДЫ
ВХОДЫ
ВЫХОД
ВЫХОД
Схема включения ОУ и сигналы
Uс  U ;
Uд
U+=UC
Uд  U  U ;
E 1  E 2  Е ном .
Uвых
Условное графическое обозначение ОУ
ВХОД
инвертирующий
ВЫХОД

ВХОД
неинверти
рующий
ПИТАНИЕ
NC
Е1
NC
Е2
FC
БАЛАНСИРОВКА
ЧАСТОТНАЯ
КОРРЕКЦИЯ
Основное
требование
к
операционному
усилителю:
• ОУ как можно ближе должен соответствовать
идеальному
источнику
напряжения,
управляемому напряжением с бесконечно
большим коэффициентом усиления.
Такой ОУ называется идеальным. Понятие
идеального
операционного
усилителя
оказывается полезным для уяснения принципов
действия схем на ОУ и приближенного их
анализа.
Идеальный ОУ:
• коэффициент усиления ОУ очень велик
(бесконечно большой), то при конечном значении
выходного напряжения напряжение на его
дифференциальном входе должно быть близким
к нулю.
• коэффициент усиления синфазного сигнала
равен нулю;
• мгновенный отклик на изменение входных
сигналов (у реальных ОУ время установления
выходного напряжения от единиц наносекунд до
сотен микросекунд);
• частотный диапазон усиливаемых сигналов
должен
простираться
от
постоянного
напряжения до очень высокой (бесконечно
большой) частоты;
• входное сопротивление ОУ должно быть равно
бесконечности, а следовательно, входной ток
должен быть равен нулю;
• выходное сопротивление должно быть равно
нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять
на выходное напряжение;
• погрешности
по
постоянному
току
отсутствуют.
Макромодель идеализированного ОУ
с конечным коэффициентом усиления
1
10
(+)
V1,2
(-)
EOU=KV1,2
0
2
Пример описания безинерционного ОУ
с коэффициентом усиления напряжения 20000:
EOP 10 0 1 2 2e4
Характеристики и параметры ОУ
•Основная цель разработки и выбора ОУ:
достигнуть функциональной неразличимости
ОУ в конкретной схеме ОУ с ООС.
•Схема на основе ОУ с ООС называется
операционной.
•Схема на основе идеального ОУ с ООС
называется идеальной операционной.

K
K  
.
1  K  
c
K 
K 
1
  .

c
Характеристики ОУ:
•АЧХ;
•ФЧХ;
•Амплитудная.
Частотные характеристики ОУ:
Амплитудная характеристика ОУ:
Параметры ОУ:
•Линейные малосигнальные:
•коэффициент усиления на постоянном
напряжении Ко ;
•коэффициент ослабления синфазного
сигнала КОСС = Кдиф/Kсф;
•частота единичного усиления fT=f1:
•напряжение смещения нулевого уровня
eсм.
•температурный
коэффициент
напряжения смещения нулевого уровня
;
e см / T
входные токи iвх+ и iвх- - это токи,
протекающие через входные цепи ОУ;
•разность входных токов i вх  i вх   i вх 
•температурный коэффициент разности
входных токов ;
Входное
сопротивление:
дифференциальное Rдиф и синфазное
Rсинф,
Выходное сопротивление RВЫХ.
Нелинейные:
максимальной скоростью нарастания
выходного напряжения V+, V-,
максимальный выходной ток Iвых.макс
(минимальная нагрузка RНМИН),
максимальная частота полной мощности
fПМ,
максимальное входное дифференциальное
напряжение UВХ Д МАКС,
максимальное
входное
синфазное
напряжение UВХ С МАКС,
Максимальное
выходное
напряжение
UВЫХ.МАКС..
Динамические:
Время
установления
выходного
напряжения с заданной точностью в
стандартной
операционной
схеме
(повторителя напряжения) tУСТ,
Время
восстановления
выходного
напряжения с заданной точностью в
стандартной
операционной
схеме
(повторителя
напряжения)
после
амплитудной перегрузки tВОССТ.
Параметры динамического режима во
многом зависят от цепей частотной
коррекции, которая осуществляется с
помощью RС-цепей, подключаемых к
соответствующим зажимам ОУ.
Основное
назначение
цепей
коррекции
предотвращать
возникновение автоколебаний в ОУ при
охвате его отрицательной обратной
связью.
Корректирующие
цепи
обычно
рекомендуются
предприятиемизготовителем
и
приводятся
в
справочных руководствах.
В то же время имеется большое
количество
ОУ
с
внутренней
коррекцией.
Внутренняя
коррекция
упрощает
использование ОУ, но не позволяет
полно реализовать его динамические
свойства.
Классификация ОУ
В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ
делятся на следующие группы по
совокупности их параметров:
•универсальные или общего применения
(К(0)=103... 105,
fT=1,0... 10 Мгц,
есм>0,5мВ);
•прецизионные или инструментальные
(К(0)> 0,5 106, есм <0,5мВ);
• быстродействующие (VUвых> 20 В/мкс, fT
> 15 МГц);
• микромощные (I потр<1мА).
Система обозначений ОУ:
Число:
номер
серии
Число:
номер
разработки
Буква:
классифика
ция по
параметрам
1
4
5
2
3
элемент элемент элемент элементэлемент
технология:
1,3,5интегральная
2, 4, 6 гибридная
подкласс
прибора:
УД -ОУ
Сравнительные характеристики ОУ
Тип
ОУ
Группа K(0) eсм, e / T ,
103 мкВ мкВ/
К
К140УД7 Универсал 50 4000 6,00
ьные
К140УД Прецизио 1000 5 0,05
нные
24
154УД2 Быстро10 2000 10,00
действую
щие
К1423
Микромо 10 5000 5,00
щные
УД1
см
, Косс fT, VUвых,
нА , МГц В/мкс
дБ
50 70
0,8 10,0
iвх
10-2 120
2,0
2.5
10 100 >50,0
75,
0
5 70 0,05.. 1,6...
.1,4 10-2
10-4
Параметры некоторых ОУ
7.2. Структурная схема
универсального ОУ.
Для
обеспечения
большого
коэффициента
усиления ОУ содержит несколько гальванически
связанных каскадов, среди которых выделяют
следующие:
входной,
промежуточный,
выходной.
Ск
I1
Uвх
Uвых
1
S1
К1
К2
К3
Представленная на рисунке схема содержит
входной
дифференциальный
каскад
с
коэффициентом передачи К1, который преобразует
входной дифференциальный сигнал в ток.
Этот ток поступает на интегрирующее звено с
коэффициентом передачи К2.
Выходной каскад с коэффициентом передачи
К3 является усилителем мощности и обычно
представляет собой повторитель напряжения.
По данной структуре выполнены ОУ общего
применения, например К140УД7 или mA741.
Универсальный двухкаскадный ОУ и
его макромодель
20 мкА
300 мкА
В
А
Частотные свойства некорректированного
ОУ.Эквивалентная схема ОУ (макромодель)
K 01  K 02  K 03
K( p )  
,
( 1  p  1 )  ( 1  p  2 )
K 01  750 , K 02  600 , K 03  1 ,
 1  250  500 мкс , 2  0 ,15  0 ,3 мкс .
Полный коэффициент передачи
идеализированного ОУ(рис.1.)
S1
K  K1 K 2 K 3 
  Ck
Частота единичного усиления
S1
 T  1 
Ck
Погрешности ОУ по постоянному
току
Эквивалентная низкочастотная схема ОУ
ед
-К ед
Определим амплитудную характеристику ОУ
U ВЫХ   K  eд  i ВЫХ  RВЫХ ,
Амплитудная
UC
U д  ед 
 U CM ,
характеристика
MC


UC
U ВЫХ   K   U д 
 U CM   i ВЫХ  RВЫХ ,
MC


U ВЫХ  i ВЫХ  RВЫХ U C
Uд  

 U CM .
K
MC
Компенсация напряжения смещения нуля
называется балансировкой ОУ.
Максимальная скорость
нарастания выходного напряжения ОУ.
Динамические свойства ОУ
Под максимальной скоростью нарастания
Vuвых выходного напряжения понимается
максимально достижимая скорость его
изменения.
Она определяется при подаче на вход ОУ
максимального
перепада
напряжения,
вызывающего ограничение выходного тока
одного из каскадов ОУ, нагруженного на
емкость.
Vuвых
dU ВЫХ
I


dt
C
Скорость
нарастания
напряжения
на
корректирующей емкости в точке U1=Uвых
Vuвых
dU ВЫХ I 1 2 T S1



dt
Ck
Ck
Скорость
нарастания
связана
предельной частотой усиления ОУ:
Vuвых
с
I 1 T

 2 T  T
S1
Вывод:
чем
больше
предельная
частота (т. е. частота единичного
усиления)
тем
выше
скорость
нарастания выходного напряжения.
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Малый сигнал
Большой сигнал
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
В справочных данных на ОУ приводится
значение максимальной частоты усиления
большого сигнала (максимальной частоты
полной мощности). Смысл этого параметра
состоит в том, что он позволяет установить
максимальную
частоту
гармонического
сигнала, при которой на выходе ОУ можно
получить без значительных искажений
выходной сигнал синусоидальной формы с
заданной амплитудой Um. Этот параметр
связан с максимальной скоростью нарастания
гармонического сигнала на выходе ОУ.
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Если принять, что
uвых  U m sint
то его скорость изменения будет равна
duвых / dt  U m cos   t
и при
cos t  1
она будет иметь максимальное значение
 duвых 
  максU m


 dt  макс
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Найдем максимальную частоту
усиления большого сигнала
 макс 
( V uвых )макс
Um
Выражение показывает, что до этой
частоты
на выходе ОУ можно
получить неискаженный сигнал с
амплитудой Um.
График частотной зависимости
максимальной амплитуды выходного сигнала
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Динамические нелинейные искажения
Из-за ограниченности скорости нарастания
возникают
динамические
нелинейные
искажения, характерные для ОУ с глубокой
ООС. На интервале линейного нарастания
выходное
напряжение
ОУ
является
неуправляемым, т.к. ОУ находится в
состоянии амплитудной перегрузки.
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Сущность динамических
нелинейных искажений.