Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
Рис. 2.108
Если ОУ работает в режиме усиления, то
U диф 0 , U вых U вх .
Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор) (рис.
2.109)
Рис. 2.109 Если усилитель работает в режиме усиления, то-
гдаUдиф 0 .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
Учитывая, что i i |
0 , получим |
|
i j |
iи.ос . |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j 1 |
|
|
|
|
|
При Uдиф |
|
0 получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
U |
вхj |
|
U |
|
U |
|
, |
j |
1,..., n ; U |
|
U |
|
, |
U |
|
R |
|
. |
|
Rj |
вхj |
ROC |
вых |
вых |
|
|
||||||||||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ос |
R j |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j 1 |
|
||
Для уменьшения влияния входных токов операционного усилителя в цепь инвертирующего входа включают резистор Rэ. с сопротивлением
238
Rэ 
R1 
R2 
... Rп 
Rос .
2.10 Идеальный операционный усилитель
Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:
1. бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению КU 
U вых / U1 U 2 (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);
2.нулевое напряжение смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реаль-
ных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);
3.нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей нА до единиц мкА);
4.нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);
5.коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
6.мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).
Как будет показано ниже, операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться, по крайней мере
вплоть до частоты единичного усиления fт, т.е. такой частоты, при которой - |KИ|=1. На рис. 2.110 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного операционного усилителя.
239
Рис. 2.110
В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:
К U |
КU |
|
|
|
|
f |
|
||
1 j( |
|
) |
||
|
|
|||
|
|
|
f П |
|
Здесь КU - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты fп, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления КU обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение
|КU|f=|КU|fп=fT
На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления |КU|=1. Как следует из последнего выражения, частота fT равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.
2.11. 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 A741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рис. 2.111.
240
Рис. 2.111
Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на р-п-р транзисторах VT1 и VТ2. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на п-р-п транзисторах VТ3 и VТ4. Для выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее соотношение:
Iд =Iк2–Iк1и
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 VT6. 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.
2.110.
241
Выходной каскад представляет собой двухтактный комплиментарный 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.
2.12.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.2.112.
У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе входное сопротивление для дифференциального сигнала гд составляет несколько МОм, а входное сопротивление для синфазного сигнала гвх несколько ГОм. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких нА. Существенно большие 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 нА.
242