Материал: Разработка устройства, выполняющего функцию усилителя-распределителя цифрового сигнала и цифро-аналогового преобразователя

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 4.4.2.

Рис. 4.4.2. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 4.4.2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 4.4.2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент выходное напряжение Uвых, а следовательно, и напряжение обратной связи bUвых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит Uд = Uвх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления KU, то величина Uвых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина bUвых. Это приведет к уменьшению напряжения Uд, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

вых = KU UД = KU (Uвх - β Uвых) (4.4.1)

Решив это уравнение относительно Uвых, получим:

= Uвых / Uвх = KU / (1 + β KU) (4.4.2)

При β KU >>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит

K = 1/ β (4.4.3)

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Динамические и эксплуатационные параметры операционного усилителя

Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания fп, частота единичного усиления fт и время установления tу. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (DUвых <1В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания fр. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |Uвых.уст - Uвых(t)| = d, где Uвых.уст - установившееся значение выходного напряжения, d - допустимая ошибка.

Мощностная полоса пропускания ОУ определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала Uвых.макс немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания fр соответствует значению Uвых.макс равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении емкости корректирующего конденсатора.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения Uп; допустимый диапазон питающих напряжений; ток, потребляемый от источника Iпот; максимальный выходной ток Iвых.макс; максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании; максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений.

Схемы включения ОУ

Дифференциальное включение

                                    R2

                R1

w ∞ m

+U                                     

U2 U1 R4 -U Uвых

Рис. 4.4.3. Дифференциальное включение ОУ

На рис.4.4.3 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Вследствие свойства а) идеального операционного усилителя разность потенциалов между его входами p и n равна нулю. Соотношение между входным напряжением U1 и напряжением Up между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R3 и R4:

= U1 R4 / (R3+R4) (4.4.4)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной Un = Up, ток I1 определится соотношением:

= (U2 - Up) / R1 (4.4.5)

Вследствие свойства идеального ОУ I1=I2. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

вых = Up - I1R2 (4.4.6)

Подставив (4.4.4) и (4.4.5) в (4.4.6), получим (4.4.7):

При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,

вых = (U1 - U2)R2 / R1 (4.4.8)

Соотношения (4.4.7), (4.4.8) справедливы и в случае, если вместо резисторов R1 и R2 включены двухполюсники, содержащие в общем случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным входным сопротивлением, соответственно, Z1(s) и Z2(s).

Инвертирующее включение

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 4.4.4).

Рис. 4.4.4. Инвертирующее включение ОУ

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I1 = U2 / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а) идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 4.4.6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (4.4.6) U2 = 0, R3 = 0, R4 бесконечно велико. Получим (4.4.9):

Рис. 4.4.6. Неинвертирующее включение ОУ

Здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Типы операционных усилителей

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: KU = 20 000 - 200 000; Uсм = 0,1 - 20 мВ; fт = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (fт = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора Ск. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда Ск можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость Ск. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение KU возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.

Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D (ключевой режим). Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

В качестве операционных усилителей будем использоватьтри микросхемы К1407УД1. Микросхема К1407УД1 представляет собой широкополосный операционный усилитель выполненный на биполярных транзисторах с изоляцией элементов диэлектриком. Предназначена для применения в качестве чувствительного усилителя, рассчитана на работу с низкоомными генераторами сигналов от 100 Ом до 1 кОм, обеспечивает возможность регулировки тока управления от 250 мкА до 1 мА, имеет широкую полосу пропускания (6 МГц, типовое значение) при КУ,U = 80.

Корпус микросхемы К1407УД1 типа 2101.8-1. Масса микросхемы в корпусе не более 0,7 г.

Рис.4.4.7. Операционный усилитель К1407УД1

Назначение выводов:

1 коррекция 1 (баланс);

2 инвертирующий вход усилителя;

3 неинвертирующий вход усилителя;

4 питание (+Uп);

5 коррекция 2 (баланс);

6 выход усилителя;

7 питание (-Uп);

8 ток управления.

Электрические параметры

Номинальное напряжение питания …………………………………. ± 5 В

Ток потребления при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА:

при Т = + 25 0С, не более…………………………………………. 8мА

типовое значение …………………………………………………… 5 мА

при Т = - 45 и +70 0С, не более…………………………………. 10мА

типовое значение ……………………………….……………… 5,5 мА

Максимальное выходное напряжение при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА, Rн = 20 кОм, Т = + 25 0С, не менее ………………………………...…… +3 … -2 В

Напряжение смещения при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА, Т = + 25 0С, не более ….…...….. 10 мВ

типовое значение …………………………………………………… 1 мВ

Входной ток при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА, Т = + 25 0С, не более 10 мкА

типовое значение …………………..……………………….… 2,5 мкА

Разность входных токов при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА, Т = + 25 0С, не более ….…….. 2 мкА

типовое значение …………………………………………...… 0,5 мкА

Коэффициент усиления напряжения при Uп = ± 5 В, Iупр = 0,9 мА:

при Т = + 25 0С, не менее ………………………………………….. 104

типовое значение ……………………………………...………….. 5 * 104

при Т = - 45 и +70 0С, не менее ………………………….…… 8 * 103

типовое значение …………………………………………...….. 4 * 104