fon1

Операционные усилители: структурные схемы, принцип работы.

В настоящее время самые распространенные линейные интегральные схемы - операционные усилители (ОУ). В ламповом и транзисторном исполнении они использовались в аналоговых ЭВМ для выполнения ряда операций (сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование и т. д.), откуда и пришло название "операционный".
Эти операционные схемы имеют высокий коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивление, широкую полосу пропускания, начиная с f = 0. Поэтому OУ в интегральном исполнении, как универсальный маломощный (50-800 мВт) линейный усилитель, нашел чрезвычайно широкое применение. В настоящее время ОУ используется не только в аналоговых ЭВМ, но и в ряде других устройств и каскадах. Это предусилители, стабилизаторы, автогенераторы, электронные фильтры, измерительные приборы, импульсные схемы, автоматика и т.д.
Коэффициент усиления ОУ очень большой и достигает 105-106. Для нормальной работы операционного усилителя он почти всегда охватывается ООС за счет включения внешних элементов, что приводит к уменьшению коэффициента усиления (КУ) до 50 - 500. Возникает вопрос: а целесообразно ли конструировать ОУ с таким большим усилением, если используется примерно только 1/100 его часть?
Как известно, полупроводниковые ИС характеризуются значительными допусками элементов (соответственно и параметров) и невозможностью их регулировки. Например для ОУ типа К140УД2А максимум усиления (т.е. без ООС) в справочниках равно A = 35 000 - 100 000. Эти большие допуски могут быть сведены до минимума, только если усилитель будет работать в режиме глубокой ООС. Тогда КУ будет во много раз меньше, но зато не будет зависить от максимального коэффициента усиления, а только от параметров внешне подключенных элементов в цепи ООС.
Это двойное преимущество: во-первых - исключается влияние производственных допусков, во-вторых - появляется возможность создания желаемого коэффициента усиления.
Максимальная частота операционных усилителей, в зависимости от типа микросхем, может быть от сотен кГЦ до десятков Мгц. Нужную частотную характеристику можно формировать любую, включая нужные внешние элементы.

Операционный усилитель имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующийся) и один выход. Сигналы, подающие на инвертирующий вход получаются на выходе с обратной фазой и поэтому этот вход имеет знак «-», тогда-как неинвертирующие входные сигналы на выходе имеют одинаковые фазы, и поэтому этот вход под знаком «+» (рис.1а).
OU1 Наличие двух входов делает ОУ очень функциональным, поскольку это расширяет его возможности. В частности, позволяет легко выполнить как отрицательную, так и положительную обратную связи.
В режиме ожидания (т.е. при отсутствии входного сигнала) напряжения на двух входах и выходе, относительно общего провода (шасси), должно быть нулевым.
Важными положительными свойствами операционного усилителя являются очень большое входное сопротивление по переменному току - порядка 0,1-5 MΩ, и небольшого выходного сопротивления - 50-200 Ом. Это позволяет включать как высокоомные, так и низкоомные нагрузки, что благотворно влияет на частотные свойства (соответственно и на быстродействие).

Как видно из рис.1, операционный усилитель имеет несколько дополнительных выводов. К ним подключаются внешние элементы, через которые можно осуществить частотную регулировку и балансировку.
В большинстве случаев OУ питается от биполярного источника с заземленной средней точкой, а для лучшей фильтрации можно использовать конденсаторы (С1 и С2). Все потенциалы измеряются относительно этой нулевой средней точки.

На рис.2 показано несколько схем, которые применяются в OУ.
OU2 Когда источник питания биполярный, то можно мысленно провести линию по всем цепям операционной схемы, соединяющую точки с нулевым потенциалом постоянного напряжения. Здесь пунктирная линия нулевого потенциала делит схему на две части. Вверху все точки имеют положительный потенциал , а внизу - отрицательный. При анализе режима постоянного тока ОУ базовыми токами почти всегда пренебрегают (типичный интегральный транзистор имеет β = 70 ÷ 200), где предполагается, что Iк = Iэ. Напряжение Uбэ, при открытом транзисторе, в среднем равен 0,7 В. Исходя из этого, нанесены потенциалы соответствующих точек и падения напряжения на них.

В настоящее время выпускаются различные типы ОУ. По своему назначению их можно разделить на две большие группы:
1. Стандартные.
Имеют универсальное применение. Это дешевые ОУ среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. К примеру: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411. В настоящее время это самые распространенные аналоговые интегральные схемы.
2. Специальные.
Это ОУ, "заточенные" на определенные параметры. Например: прецизионные, быстродействующие, экономичные, с запрограммированными свойствами и др.

Структурные схемы операционых усилителей.

OU3

С момента появления первого ОУ прошло больше полувека. За это время были разработаны их сотни типов и в каждый из них были внесены соответствующие улучшения. Но основой для дальнейшей разработки стал первый "классический" операционный усилитель, который был выпущен в серийное производство американской фирмой Fairchild в 1964 году под названием μА702. Он выпускался в круглом металлическом или пластмассовом корпусе ТО-99 с 8 выводами.
На рис.3 показана структурная схема этого "классика", которая содержит 9 транзисторов и 11 резисторов.
Блок питания выполнен из двух несимметричных источников: Е1 = +12 В и Е2 = - 6 В. Такой ОУ почти единственный с асимметричным питанием.

Операционный усилитель типа 709.

Это один из самых распространенных OУ. Операционный усилитель был сделан впервые в конце 1964 года также компанией Fairchild под обозначением μА709 (для общего пользования), μА709A (для военных целей) и μА709C (для промышленной электроники).
Операционный усилитель типа 709 также производился под разными названиями западными компаниями, а в СССР это были: К140УД1А-В, К140УД2А-Б, К140УД5А-Б, К140УД6, К140УД7, К140УД8А-Б в круглом металлическом корпусе ТО-99 с 8 выводами.
Структурная схема этого операционнго усилителя состоит из двух дифференциальных усилителей (ДУ), схемы сдвига уровня постоянного напряжения (СУПН) и усилителя мощности (УМ).
Как видно из схемы на рис.4, μА709 содержит 15 транзисторов (из них Т9 и Т13 типа p-n-p) и 15 резисторов.
Питается он от двух симметричных источников E1 = +15 В и E2 = -15 В.
По сравнению μА709 сложнее μА702 и содержит больше активных и пассивных элементов. В результате у него более высокие коэффициент усиления (А = 15 000-60 000) и входное сопротивление (R = = 150-400 кОм), небольшое выходное сопротивление (R = 150 Ом) и меньший потребляемый ток (Iп = 2,5 мА). Только по частотным характеристикам μА709 уступает μА702.

Первый каскад операционного усилителя типа 709 - ДУ1 с симметричным входом и симметричным выходом на транзисторах Т1 и Т2 . В их эмиттеры включен генератор стабильного тока (ГСТ) на Т11, который обеспечивает протекание через ДУ тока, не зависящего от его сопротивления. Транзистор Т10 включен как диод и служит для температурной стабилизации ГСТ.

Второй каскад - ДУ2 с симметричным входом и несимметричным выходом на транзисторах Т3 ÷ Т6. Он служит для повышения усиления и увеличения входного сопротивления, что благоприятно влияет на параметры первого каскада ОУ.
В нем ГСТ не применяется, а вместо его включен резистор R8. Транзистор Т15 служит как диод для стабилизации температуры на Т5, Т6.

OU4

Третий каскад представляет собой схему сдвига уровня постоянного напряжения (СУПН).
При нулевом напряжении на входах операционного усилителя напряжение на его выходе также должно быть равно нулю. Однако при использовании в ОУ нескольких последовательно соединенных каскадов с непосредственной связью, собранных на однотипных транзисторах, постоянное напряжение на выходе каждого последующего каскада повышается. Поэтому возникает необходимость в сдвиге уровня постоянного напряжения вниз.
По существу СУПН - эмиттерный повторитель на Т8, нагрузка которого состоит из резистора R7 и входного сопротивления Т9. База Т9 имеет нулевой потенциал, т.к. она подключена к точке, лежащей на оси симметрии ДУ2. Значит Т9 включен как предусилитель по схеме с ОБ.
Сигнал, идущий от Т8, попадает на эмиттер Т9, который, по своей конструкции, является горизонтальным p-n-p транзистором с коэффициентом усиления β ≈ 2.
Нагрузка Т9 образуется из R12, ​​R13 и входного сопротивления Т12. Коллекторный ток покоя Т8 и Т9 равен Iк.п = 0,7-0,8 мА, при котором коэффициент передачи третьего каскада (т.е. с базы Т8 на базу Т12) составляет примерно 0.9, т.е. этот каскад сдвигает уровень постоянного напряжения вниз где-то на 10%, не уменьшая величину полезного сигнала.
Резистор R8 осуществляет ООС по постоянному току и стабилизирует режим Т9. Таким образом, большие допуски в значении коэффициента β на Т9 почти не оказывают влияния на свойства в СУПН.

Последний каскад (рис. 6.45) - усилитель мощности (УМ) выполнен на транзисторах Т12, Т13 и Т14.
T12 включен по схеме с OЭ и его выходной сигнал подается на базы Т13 и Т14, которые включены по двухтактной схеме и работают в классе В.
УМ имеет КУ около 30, а его выходное сопротивление составляет около 150 Ом. Коэффициент усиления всего OУ составляет A = 15 000-60 000 (типовое значение - 45 000).
Основным недостатком операционного усилителя типа 709 является отсутствие защиты от короткого замыкания на выходе. Если при наличии сильного сигнала (или в случае дисбаланса) вывод выхода 6 подключен к шасси, к E1 или E2, ток через T13 и T14 станет недопустимо большим и может повредить их.

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet