ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ в устройствах на микросхемах

June 30, 2014 by admin Комментировать »

Операционным усилителем (ОУ) называют интегральный усилитель постоянного тока, параметры которого зависят от свойств охватывающей его цепи отрицательной обратной связи (00С).

Операционный усилитель обычно содержит, входной каскад, выполненный на основе дифференциального усилителя, промежуточный усилитель и выходной каскад.

Операционные усилители — одни из наиболее распространенных элементов современной схемотехники. На основе ОУ можно реализовать устройства, предназначенные для усиления, сравнения, ограничения, обработки, выбора или фильтрации сигналов произвольной формы, а также иные узлы радиоэлектронной аппаратуры [1.1—1.6].

Идеальный ОУ должен иметь бесконечно:

♦  высокий коэффициент усиления разностного сигнала;

♦  малый коэффициент усиления синфазных сигналов;

♦  малое напряжение смещения нуля;

♦  малые входные токи;

♦    малое время запаздывания изменения выходного сигнала при изменении входного;

♦  высокое входное сопротивление;

♦  малое выходное сопротивление, в идеале близкое к нулю.

Примечание.

Реальные свойства ОУ в той или иной мере могут приближаться к идеальным, никогда не достигая предела. Так, например, дифференциальный коэффициент усиления ОУ по напряжению редко превышает 106.

Напряжение смещения нуля в зависимости от разновидности усилителя может находиться в пределах от единиц микровольта до десятков милливольт и т. д.

По внутреннему строению и виду используемых активных элементов ОУ разделяют на три группы:

♦  биполярные;

♦  биполярно-полевые;

♦    КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором).

Применение во входных цепях ОУ полевых транзисторов позволяет заметно повысить входное сопротивление усилителя, снизить входные токи.

Одновременно отчетливо проявляются и негативные свойства использования полевых транзисторов — их относительно невысокое быстродействие, низкие рабочие частоты.

По своему назначению операционные усилители принято подразделять на группы, перечисленные в табл. 1.1. Разделение это не является строгим, поскольку некоторые усилители можно одновременно отнести к разным классификационным группам. С появлением новых более совершенных микросхем, со смещением границ критериев может произойти и перераспределение существующего ассортимента ОУ по областям их преимущественного применения.

Обычно выигрыш в достижении предельно значимых параметров, определяющих назначение конкретного типа ОУ, оборачивается соответствующем снижением других практически значимых показателей. Так, например, высокое быстродействие ОУ сочетается с заметным повышением потребляемого устройством тока.

Примечание.

Первые операционные усилители, выполненные на электровакуумных лампах, были созданы в США в 1942 г. Они предназначались для выполнения математических операций в первых аналоговых вычислительных машинах, отсюда и название усилителяоперационный. Операционные усилители на транзисторах появились также в США в 1957г. Серийно ОУ начали выпускать с 1963 г. Первый интегральный ОУ конструкции Роберта Видлара (фирма Fairchild Semiconductor) получил наименование μΑ702 и содержал всего 9 транзисторов. Через 2 года появился следующий более совершенный вариант ОУ, сконструированный инженером ВидларомμΑ709, а еще через 2 годаLM101 (фирма National Semiconductor). Классический ОУ 741 (μΑ741, иА741), созданный в 1968 г., востребован до настоящего времени.Основные признаки и характеристики операционных усилителей                                                                                                                       Таблица 7.7

Назначение ОУ

Характерные признаки

Основные параметры

Область применения

Примеры микросхем

Общего применения (индустриальный стандарт)

Усредненные или заниженные параметры относительно остальных групп, низкая стоимость

Коэффициент передачи 104—105, полоса частот до 10—50 МГц. Погрешность около 1 %

Устройства общего назначения или массового применения

К140УД6—К140УД8, К140УД20, К553УД1—К553УДЗ, КР1446УД1, LMV324

Микромощные

Минимальная потребляемая мощность, экономичность, возможность однополярного питания, малое быстродействие

Потребляемая мощность доли мВт; пониженные напряжения питания; ток потребления менее 25 мкА

Устройства с ограниченным ресурсом элементов автономного питания

AD8504, ОР481, ОРА4244, LPV521, МАХ409, МАХ4041, МАХ4464, МАХ4470, МАХ9915

Маломощные

Малая потребляемая мощность, экономичность

Ток потребления до 1,5 мА

Устройства с автономным питанием, бытового назначения

К140УД12, К553УД4, К1407хх, КР1446УД2

Мощные

Максимальная выходная мощность

Выходная мощность до 1 кВт

Выходные каскады УНЧ, источники питания, стабилизаторы

РА30, ОРА502, ОРА512SM

Низковольтные

Минимально возможное рабочее напряжение, однополярное питание

Напряжение питания 1,8—3 В и менее

Бытовая техника, устройства с батарейным питанием

LMV324, LMV934, МАХ4037, МАХ4289, МАХ4291

Высоковольтные

Максимальное рабочее напряжение

Напряжение питания до ±200 В

Выходные каскады разверток, промышленная электроника

РА90, РА92, РА94, ОРА455, LM2409

Высокочастотные

Максимальное значение верхней границы усиливаемых частот

Частота усиления свыше сотен МГц

Техника связи

МАХ4012, МАХ4016, МАХ4018, МАХ4020, BGY115

Широкополосные (быстродействующие)

Высокая скорость изменения входного напряжения

Скорость нарастания выходного напряжения выше 10—

100 В/мкс; частота единичного усиления свыше 50 МГц

Широкополосные усилители; техника быстропротекающих процессов, видеотехника, сотовая телефония

К140УД10, К140УД11, К574УД2, К574УДЗ, КР1446УД5, AD8009, AD8055, МАХ4125, МАХ4490, МАХ9650

Малошумящие

Минимальный уровень собственных шумов

Уровень шумов, приведенных к входу, порядка ед. нВЛ/Гц.

Усилители слабых и сверхслабых сигналов

LT623x, LMH6624, LMV722, NE5532,TS462, МАХ2641, МАХ4231, МАХ4493, МАХ9945

Таблица 7.7 (продолжение)

Назначение ОУ

Характерные признаки

Основные параметры

Область применения

Примеры микросхем

Электрометрические

Максимально высокое входное сопротивление, его стабильность

Входное сопротивление до 1015 Ом и более; входной ток до 10 фА

Электрометры, измерительная техника

AD549, LMC6001

Изолированные

Отсутствие гальванической связи между входными и выходными цепями. Изолированное питание

Напряжение изоляции — свыше 3,5 кВ

Медицинская техника, энергетика, шахтное и нефтегазопромысловое оборудование, индустриальные системы управления

AD210

Rail-to-rail

Амплитуда выходного напряжения, практически равна

±ипит

Напряжение питания от 0,9 В и более

Радиоэлектронные устройства с высоким КПД

NCS2001, AD820, TS3V902, TS951, МАХ 4197, ОРА363/364

Прецизионные

Повышенная точность установки передаточной или иной заданной функции

Тепловой дрейф по напряжению — до 3 мкВ/°С; по току — 30 нА/°С; напряжение смещения менее 1 мВ.

Измерительная техника, системы управления, промышленная автоматика

К553УД5,140УД26, SSM2141, ОРА129РВ, LMC6082, LMV771, LMP2011, LMP8271, МАХ478, МАХ4236, МАХ478, МАХ9943

Дифференциальные (инструментальные)

Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала

Коэффициент подавления синфазного сигнала до 120 дБ

Измерительная техника, техника Hi-Fi звуковоспроизведения, техника связи

AD620, AD627, AD830, АМР04Е, ОРА2607, INA163, XTR116, МАХ4144—МАХ4147

Усилители с фиксацией уровня

Повышенная надежность работы в условиях повышенных входных напряжений

Фиксация/установка уровней верхнего и нижнего напряжения ограничения

Модуляторы, ограничители, выпрямители-детекторы сигналов

AD8036, AD8037

Программируемые

Задается по желанию пользователя

Назначение и свойства ОУ задаются пользователем

Универсальное применение в устройствах общего и специального назначения

НА2400, AD526, LMV422, PGA117, VGA2612, К140УД12, К1423УД1

Комбинированные

Полифункциональность

Включают элементы дополнительного назначения

Видеотехника, бытовая техника

LMH6570

На рис. 1.1—1.4 в порядке сопоставления приведены эквиваленты и типовые схемы включения микросхем серии К118(122)УД1 и К140УД1, относящихся к ранним этапам развития отечественных операционных усилителей. На рис. 1.2 и 1.4 показаны типовые схемы включения этих микросхем. Последующее поэлементное развитие внутреннего строения ОУ графически представлять вряд ли уместно, поскольку уже в микросхемах К140УД9, созданных треть века назад, количество транзисторов достигло 45, а в современных — превышает несколько тысяч штук.

Рис. 1.1. Эквивалент микросхемы К118УД1 (в скобках — номера выводовдля 122УД1, К122УД1)

Рис. 1.2. Типовая схема включения микросхемы К118УД1

Отметим общее, что осталось практически неизменным в структуре ОУ вне зависимости от этапов их развития. Это дифференциальный входной каскад, промежуточный усилитель и выходной каскад. Отчетливо все указанные элементы просматриваются в эквивалентной схеме микросхемы К140УД1, рис. 1.3.

Суммарный коэффициент усиления определяется произведением соответствующих коэффициентов усиления каждого из каскадов. Но поскольку коэффициент усиления последнего каскада весьма близок к единице, вкладом последнего сомножителя можно пренебречь.

Современные работы по совершенствованию ОУ ведутся в таких направлениях:

♦  повышение коэффициента усиления;

♦  расширение частотного диапазона;

♦  повышение быстродействия усилителя;

♦  повышение устойчивости работы;

♦  минимизация начального смещения входного напряжения;

♦  снижение шумов;

♦    повышение надежности (защита от перегрузок по входу и выходу, по цепям питания);

♦    повышение устойчивости работы в экстремальных условиях (радиация, температура, давление) и т. д.

Рис. 1.4. Типовая схема включения микросхемы К140УД1

Для работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами используют двуполярное питающее напряжение +U и —U, рис. 1.2 и рис. 1.4.

Примечание.

В ряде случаев для упрощения схемы и повышения ее наглядности подключение выводов питания ОУне показывают.

Рис. 1.3. Эквивалент микросхемы 140УД1, К140УД1 (в скобках—номера выводов для КР140УД1)

Входы ОУ часто обозначают знаками «+» и «-», например, рис. 1.4. Такие обозначения не говорят о том, что на эти входы следует подавать положительное или отрицательное напряжение. Знак «+» говорит о том, что фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного, поэтому вход «+» называют неинвертирующим. Знак «-» — фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относительно фазы входного сигнала, т. е. выходной сигнал противофазен входному. Соответственно, такой вход ОУ называют инвертирующим.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты