реферат бесплатно, курсовые работы
 

Операционные усилители

Отсюда

Iвых= BIвх/(B+2) Iвх

1.5. Стандартная схема операционного усилителя

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать

значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен

дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме.

Упрощенная схема "классического" двухкаскадного ОУ А741 (полная схема

включает 24 транзистора) приведена на рис. 10.

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p

транзисторах VТ1 и VТ2. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на

n-p-n транзисторах VТ3 и VТ4. Для выходного тока входного каскада,

следовательно, можно записать следующее соотношение:

Iд= Iк2 -Iк1

[pic]

Рис. 10. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ А741

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является

разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов

взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные

сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе VТ9. В некоторых ОУ

(например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем

его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им

программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности,

потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе

VТ6. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе VТ10. Для

повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен

эмиттерный повторитель на транзисторе VТ5. Конденсатор Ск обеспечивает

операционному усилителю частотную характеристику вида, приведенного на рис.

3.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный

повторитель на транзисторах VТ7, VТ8. Напряжение на участке цепи из двух

последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает

малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что

позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает

симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного

напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого

замыкания выхода.

1.6. Схема замещения операционного усилителя

При построении высокоточных схем на ОУ необходимо учитывать влияние

неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно

представить усилитель схемой замещения, содержащей существенные элементы

неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений

сигналов представлена на рис. 11.

У ОУ с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для

дифференциального сигнала rд составляет несколько мегаом, а входное

сопротивление для синфазного сигнала rвх несколько гигаом. Входные токи,

определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких

наноампер. Существенно бoльшие значения имеют постоянные токи, протекающие

через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов

дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в

пределах от 10 нА до 2 мкА, а для усилителей со входными каскадами,

выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли наноампер.

[pic]

Рис. 11. Схема замещения реального операционного усилителя для малых

сигналов

Для иллюстрации влияния собственных сопротивлений усилителя на

характеристики схемы на ОУ рассмотрим схему неинвертирующего усилителя,

изображенного на рис.12.

Входное сопротивление схемы

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению rд приложено очень малое

напряжение

Uд = Uвых/KU = U1/(1+KU),

Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный

U1/rд(1+KU). Поэтому дифференциальное входное сопротивление, благодаря

действию обратной связи, умножается на коэффициент 1+KU. Согласно рис. 12,

для результирующего входного сопротивления схемы имеем:

Rвх= rд(1+KU)||rвх

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами

на входах превышает 109 Ом. Следует однако помнить, что речь идет

исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения

входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может

принимать несравненно бoльшие значения.

[pic]

Рис. 12. Схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных

сопротивлений ОУ

Выходное сопротивление схемы

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении

выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет rвых

порядка 1 кОм. Оно, правда, в значительной степени уменьшается применением

отрицательной обратной связи по напряжению. Снижение выходного напряжения

схемы, вызванное падением напряжения на rвых при подключении нагрузки,

передается на n-вход усилителя через делитель напряжения R1, R2.

Возникающее при этом увеличение дифференциального напряжения компенсирует

изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной

связью, определяется выражением:

[pic]

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на

рис. 12, эта формула принимает вид:

|[pic]. |(12) |

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина Uд не

остается постоянной, а изменяется на величину

dUд= - dUn = -dUвых (13)

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного

напряжения составляет

dUвых=KUdUд - rвых dIвых

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи в

данном случае можно пренебречь. Подставив в последнее выражение величину

dUд из (13) с учетом (12), получим искомый результат:

[pic]

Если, например, В =0,1, что соответствует усилению входного сигнала в 10

раз, а KU=105 , то выходное сопротивление усилителя А741 снизится с 1 кОм

до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы

пропускания усилителя fп, которая для А741 составляет всего только 10 Гц.

На более высоких частотах выходное сопротивление ОУ с обратной связью будет

увеличиваться, т.к. величина |KU| с ростом частоты будет уменьшаться со

скоростью 20дБ на декаду (см. рис. 3). При этом оно приобретает индуктивный

характер и на частотах более fт становится равным величине выходного

сопротивления усилителя без обратной связи.

1.7. Коррекция частотной характеристики

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры

операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру

нижних частот высокого порядка. Системы такого рода, имеющие большой

коэффициент усиления, при наличии обратной связи склонны к неустойчивости,

проявляющейся в том, что даже при отсутствии сигнала на входе системы, на

ее выходе существуют колебания относительно большой амплитуды. Устойчивость

ОУ с обратной связью удобно исследовать по его частотным характеристикам.

Типичные логарифмические асимптотическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и

фазово-частотная (ЛФЧХ) характеристики (диаграмма Боде) ОУ без частотной

коррекции приведены на рис. 13.

[pic]

Рис. 13. Типичные логарифмические амплитудно-частотная и фазово-

частотная характеристики ОУ

Выше частоты f1 частотная характеристика определяется инерционным звеном

с максимальной постоянной времени. Коэффициент усиления в этой области

убывает со скоростью -20 дБ/дек. Выше частоты f2 начинает действовать

второе инерционное звено, коэффициент усиления убывает быстрее (-40

дБ/дек), а фазовый сдвиг между Uд и Uвых достигает -180°. Частота, при

которой выполняется это условие, называется критической fкр. Частота, при

которой модуль коэффициента усиления петли обратной связи (коэффициента

петлевого усиления) |Kп| = |KU|=1, называется частотой среза fср.

Коэффициент в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи

обратной связи. Как для инвертирующего, так и для неинвертирующего

включения ОУ при резистивной обратной связи он определяется как

K = R1/(R1+R2)

Согласно выражениям (8), (9), между и коэффициентом усиления входного

сигнала схемы на ОУ K существует следующая взаимосвязь:

|[pic] |для инвертирующего включения |(14) |

| |для неинвертирующего включения. | |

В соответствии с логарифмическим вариантом критерия Найквиста для

минимально-фазовых систем, к которым можно отнести ОУ с отрицательной

обратной связью, усилитель будет устойчив, если для логарифмических

частотных характеристик разомкнутой петли обратной связи KU выполнено

условие:

fср< fкр (15)

При резистивной обратной связи ЛФЧХ петли совпадает с ЛФЧХ усилителя, а

ЛАЧХ петли проходит на 20lgниже ЛАЧХ усилителя, так что частота среза fср

соответствует точке пересечения графика ЛАЧХ усилителя с горизонтальной

прямой, проведенной на 20lgвыше оси частот. На диаграмме рис. 13 видно, что

при больших значениях K (и, соответственно, малых ) условие (15)

выполняется, причем имеется достаточный запас устойчивости по фазе. При

K1 должен быть по абсолютной

величине меньше 120°. При этом для любого коэффициента обратной связи 01 она была аналогична характеристике фильтра нижних частот

первого порядка (т.е. имела бы вид рис. 2). Так как нежелательные

инерционные звенья с частотами среза f2 и f3, как это показано на рис. 13,

не могут быть устранены из схемы усилителя, то необходимо путем выбора

конденсатора коррекции Ск (см. рис. 10) так уменьшить частоту среза f1

основного инерционного звена, чтобы условие |KU| 1. Как видно из рис. 16, ширину полосы

пропускания ОУ без обратной связи можно увеличить с 10 Гц до 100 Гц

уменьшением Ск от 30 пФ до 3 пФ. При этом полоса пропускания усилителя с

обратной связью возрастет со 100 кГц до 1 МГц.

[pic]

Рис. 16. Зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления при

подстраиваемой частотной коррекции

Для того, чтобы можно было осуществить такие изменения частотной

коррекции, выпускаются операционные усилители, у которых отсутствует

корректирующий конденсатор, а вместо него выведены соответствующие точки

схемы (например, 153УД6, 140УД14). В других вариантах, например, в

усилителях 544УД2, осуществляется неполная частотная коррекция с

уменьшенным значением корректирующей емкости. Для подключения

дополнительного конденсатора (чтобы обеспечить устойчивость при значениях

b, близких к единице) также имеются соответствующие выводы. В паспортных

данных некоторых типов ОУ указываются минимальные значения коэффициентов

усиления ОУ в неинвертирующем включении, при которых усилитель сохраняет

устойчивость. Например, для ОУ AD840K это значение составляет 10, для

ОРА605К - 50 и т.д. Изготавливаются усилители с одинаковой схемотехникой,

одни из которых имеют встроенный корректирующий конденсатор, а другие - без

такого конденсатора. Например, некоторые фирмы выпускают ОУ типа ОР-27 и ОР-

37 (отечественные аналоги, соответственно, 140УД25 и 140УД26). Первый из

них имеет встроенный корректирующий конденсатор, частоту единичного

усиления fт = 8 МГц, максимальную скорость нарастания - 2,8 В/мкс, и

работает устойчиво вплоть до 100%-ной обратной связи. ОУ типа ОР-37 не

имеет корректирующего конденсатора. Его частота единичного усиления fт = 60

МГц, скорость нарастания - 17 В/мкс. Он работает устойчиво при

коэффициентах усиления входного сигнала более пяти.

В комплексе мероприятий по обеспечению устойчивости схемы с операционным

усилителем (особенно быстродействующим) важное место занимает его

правильный монтаж. Проводники, соединяющие резисторы обратной связи с

инвертирующим входом усилителя, должны иметь минимальную длину. При

невыполнении этого правила на входе ОУ образуется паразитная емкость,

которая при наличии плоскостей заземления может составлять 0,4 пФ на

миллиметр проводника. Эта емкость совместно с резисторами обратной связи

образует дополнительное инерционное звено в петле обратной связи,

уменьшающее запас устойчивости по фазе. Некоторую компенсацию этого эффекта

дает включение конденсатора равной емкости между выходом ОУ и инвертирующим

входом.

Скорость нарастания

Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает

еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения

ограничивается при этом довольно малой величиной. Максимальное значение

скорости нарастания r определяется в основном скоростью заряда

корректирующего конденсатора:

[pic]

Максимальный выходной ток дифференциального каскада (см. рис. 10) равен

току источника в цепи эмиттеров транзисторов Т1 и Т2. Принимая его равным

20 мкА, найдем для емкости корректирующего конденсатора Ск=30 пФ:

pмакс = 0,67 В/мкс.

Вследствие ограниченного значения этой величины, при быстрых изменениях

выходного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не

могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их

называют динамическими искажениями. Если входной сигнал усилителя -

синусоида, то, чем больше ее амплитуда, тем при меньшей частоте появляются

динамические искажения.

Компенсация емкостной нагрузки

Если операционный усилитель имеет емкостную нагрузку, то последняя вместе

с выходным сопротивлением усилителя образует инерционное звено, которое

дает дополнительный фазовый сдвиг выходного напряжения. Все это уменьшает

запас по фазе, и схема усилителя может самовозбудиться уже при

незначительной величине нагрузочной емкости. Порой достаточно коснуться

выхода усилителя щупом осциллографа, чтобы усилитель начал

самовозбуждаться. Для устранения этого явления в цепь обратной связи

включается дополнительный конденсатор Сф (рис. 17). В этом случае обратная

связь представляет собой интегродифференцирующее фазо-опережающее звено,

создающее в окрестности частоты среза положительный фазовый сдвиг,

компенсирующий запаздывание, вносимое емкостью нагрузки.

[pic]

Рис. 17. Компенсация емкостной нагрузки

1.8. Параметры операционных усилителей

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы:

точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления

по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС,

напряжение смещения нуля Uсм, входной ток Iвх, разность входных токов по

инвертирующему и неинвертирующему входам Iр, коэффициент влияния источников

питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных

параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при

постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от

расчетного, определяемого выражением (4). Для сопоставления погрешности

приводят ко входу ОУ.

Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального

коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с

коэффициентом передачи звена обратной связи подано постоянное напряжение

Uвх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определится

соотношением:

Uвых = Uвх (16)

При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину Uвых:

Uвых+Uвых = UвхKU/(1+KU) (17)

Вычтя из (17) (16), получим:

Uвых = -Uвх /(1+KU) (18)

Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с

точностью до величин второго порядка малости:

Uвх=Uвых,

откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко

входу:

|[pic] |(19) |

Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного

сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого

усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное

соотношение:

|[pic]. |(20) |

Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть

определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является

функцией как дифференциального Uд=Up-Un, так и синфазного Uc=(Up+Un)/2

входных напряжений:

Uвых=Uвых(Uд,Uс)

Приращение этого напряжение определяется соотношением:

[pic]

, или

Uвых =KUUд +KсUс , (21)

где Kс - коэффициент усиления синфазного сигнала. При Uвых = 0 из (21)

следует:

[pic]

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение

дифференциального входного напряжения Uд следует приложить ко входу

усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля

ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при

отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля,

приведенное ко входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на

коэффициент передачи цепи обратной связи. Смещение нуля является

результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения Uсм, и

постоянными входными токами усилителя I +вх и I-вх (см. рис. 11). Величина

Uсм определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых

переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на

биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми

транзисторами на входах. Эта величина составляет 0,1 - 5 мВ для усилителей

общего назначения с биполярными и 0,5 - 20 мВ с полевыми транзисторами на

входе. Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ

(МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго.

Дальнейшее снижение смещения нуля достигается применением схем

автоматической компенсации смещения нуля. Например, ОУ с прерыванием имеют

типичное напряжение смещения нуля менее 1 мкВ (ICL7650S, MAX430). Снизить

Uсм можно подстройкой внешним резистором, для подключения которого

некоторые операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют

специальные выводы.

Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и

источников сигналов создают разность падений напряжения U. Например, в

дифференциальной схеме включения ОУ (рис. 4) эта разность определяется

выражением:

U = I +вх(R3||R4) - I -вх(R1||R2)

Обозначим I +вх =Iвх + Iр /2; I -вх =Iвх - Iр /2. Тогда

U = Iвх [(R3||R4)-(R1||R2)] + Iр[(R3||R4)+(R1||R2)]/2 (22)

Величину Iвх называют в технических характеристиках ОУ входным током, а

Iр - разностью входных токов. Анализ выражения (22) показывает, что

составляющая U, вызванная входным током, может быть устранена правильным

выбором соотношения резисторов, другую же составляющую U, обусловленную

разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы

резисторов по возможности минимальными.

Пример: Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего

существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей

точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 18). Сопротивление

этого резистора определяется соотношением: Rк = R1R2 /(R1 + R2).

[pic]

Рис. 18. Включение компенсирующего резистора

На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное

влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения Uсм/T и входного

тока Iвх/Т. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева,

который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после

включения питания. При этом приращение Uсм может быть существенно больше

значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление

связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы.

Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах

дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их

эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления

температуры может достигать несколько десятков секунд.

Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное

ко входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного

напряжения Uвых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1

вольт. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты

пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания

увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения

сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают

конденсаторы.

Динамические параметры ОУ

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 (Uвых <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).

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.

1.9. 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.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ

рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от

источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например,

пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и

биологических исследований. Поэтому промышленность производит

высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное

напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие

разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50

вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых

(монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных

транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому

большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде

гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит

полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным

напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным

током до 14 А.

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. 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%.

Страницы: 1, 2


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.