Операционный усилитель, ОУ, является очень удобным и довольно универсальным элементом. Что и стало причиной его высокой популярности. Изначально разработанные для выполнения различных математических операций в Аналоговых Вычислительных Машинах (АВМ), отсюда и термин "операционный", они нашли применение в самых разных областях электроники.
Про ОУ написано множество статей и книг. Ни один учебник электроники не обходится без их изучения. Что о них можно еще рассказать, если они и так со всех сторон рассмотрены? Статья не о том, как ОУ устроены и работают. Не о том, как рассчитывают схемы с использованием ОУ. Поговорим о некоторых особенностях практического применения ОУ с точки зрения питания - однополярное/двухполярное. Этому вопросу обычно уделяется не очень большое внимание. Но у новичков здесь вопросов возникает немало.
Типовой усилительный каскад на ОУ и питание
В учебниках и книгах часто рассматривают идеальный ОУ без учета цепей питания. Это вполне допустимо во очень многих случаях, так как современные ОУ весьма близки по многим параметрам к идеальным. К тому же это позволяет сосредоточиться на рассмотрении работы схемы с ОУ не загромождая ее второстепенными деталями. Например, вот так обычно изображают инвертирующий усилитель.
В статье я буду использовать сигналы треугольной формы, так как на них более наглядно видны искажения выходного сигнала. Поскольку ОУ идеальный, входной и выходной сигнал ничем не ограничены. Ни частотой, ни формой, ни амплитудой. Увы, суровая реальность вносит в эту идеальную картину свои коррективы.
Частотные свойства, погрешности самого ОУ в виде конечного коэффициента усиления, напряжения смещения, входного тока, и т.п. нас сегодня не интересуют. Нас интересует влияние питания. И прежде всего это приводит к ограничению амплитуды выходного напряжения. Поскольку питание ОУ, в классическом случае, двухполярное, выглядит это примерно так
В общем случае, напряжение источников питания не обязательно должно быть одинаковым. Но об этом немного позже. Выходной сигнал не может превышать напряжения питания, это очевидно. Более того, в реальных ОУ он всегда меньше напряжения питания (по модулю). Что и показано на иллюстрации. Но выходной сигнал начинает искажаться даже раньше, чем наступает ограничение.
Для примера посмотрим параметры ОУ OP07 (производства Texas Instruments, для еще большей определенности). При напряжении питания +-15 В (типовое напряжение питания), комнатной температуре, сопротивлении нагрузки 10 кОм пиковое значение выходного напряжения будет не менее 12 В (типовое 13 В). То есть, выходное напряжение на 3 В меньше напряжения питания. В документации есть и график зависимости выходного напряжения от входного
Здесь хорошо видно и ограничение, и нелинейность при приближении к ограничению.
От двухполярного питания к однополярному
Если внимательно посмотреть на схему инвертирующего усилителя на ОУ, то можно заметить, что на самом деле двухполярное питание и не требуется. Ведь единственный вывод ОУ, который подключен к общей точке источников питания, это не инвертирующий вход ОУ.
Существовали ОУ с отдельным выводом питания, который подключался к общей точке источников питания. Например, К140УД1. Но даже этот ОУ мог работать без подключения этого вывода к общему проводу.
Сам ОУ фактически питается от однополярного источника питания с напряжение Uп1+Uп2. А значит, мы можем сделать так
Казалось бы, здесь нет никаких отличий от классического двухполярного питания. Но на самом деле, мы заменили второй источник питания источником напряжения смещения. Обозначим напряжение смещения Uо. И у нас входное напряжение относительно общего провода будет равно
Uвх + Uо
А выходное
Uвых + Uо
Другими словами, мы можем рассматривать работу усилителя отдельно для переменной составляющей, собственно полезного сигнала, и для постоянной составляющей, напряжения смещения.
Для усилителя переменного напряжения разделить постоянную и переменную составляющую проблем не составляет. И мы получаем еще одну классическую схему
Напряжение смещения, равное половине напряжения питания, на не инвертирующем входе ОУ создается резистивным делителем напряжения. В реальности резисторы делителя шунтируют конденсаторами, а не инвертирующий вход подключают к делителю через резистор. Я не стал это показывать на иллюстрации, так как вы и так это знаете, а схема стала бы менее наглядной.
А вот с усилителем постоянного напряжения все немного сложнее. Здесь мы не можем отделить напряжение смещения от полезного сигнала, мы вынуждены его учитывать. А влияние постоянной составляющей может быть очень большим и вредным. Например, в случае построения на ОУ интегратора.
И тут возникает вопрос... Хорошо, для переменного напряжения мы вынуждены использовать двухполярное питание или добавлять постоянное напряжение смещения. Иначе возникают проблемы с отрицательными входным и выходным напряжениями. Но если у нас и входной сигнал, и выходной сигнал, никогда не принимают отрицательных значений, то мы ведь можем обойтись без напряжения смещения? Например, для не инвертирующего усилителя.
Да, конечно, такое возможно. Во всяком случае, теоретически. Практическая реализация требует решения ряда проблем, что мы сейчас и будем рассматривать. Но если проблемы решаемы, значит и такое включение можно использовать на практике. Только нужно учитывать некоторые нюансы.
Входной дифференциальный каскад и связанные с ним ограничения
В большинстве случаев, входной каскад ОУ является дифференциальным. Исключения есть, например,
Операционные усилители с токовой обратной связью
Но такие усилители мы сегодня затрагивать не будем.
Входной дифференциальный каскад ОУ может быть собран на биполярных или полевых транзисторах. Разные типы каскадов имеют разные особенности, но для нас сегодня это не важно.
От совсем уж классического дифференциального каскада показанный на иллюстрации каскад отличается только источником тока вместо резистора в цепи эмиттеров. И этот источник тока является источником не только тока, но первого ограничения.
Дело в том, что для источника тока, реального источника, требуется некое минимальное напряжение для работы. Некоторые варианты построения источников тока мы рассматривали в статье
Источники (генераторы) тока, стабилизаторы тока, токовые зеркала
Минимальное напряжение может быть разным, в зависимости от тонкостей реализации. Давайте примем, что минимальное напряжение равно 1.5 В. Это вполне соответствует последнему варианту источника тока из статьи по ссылке. Таким образом, напряжение на эмиттерах транзисторов нашего дифференциального каскада, относительно отрицательного полюса источника питания, не должно быть менее 1.5 В.
А это дает нам ориентир напряжения на базах транзисторов, которые являются входами каскада (и ОУ). С некоторым запасом примем, что напряжение на базах, относительно отрицательного полюса источника питания, не должно быть менее 2.5 В. И теперь у нас есть первое значение ограничения, причем никак не связанное с предельными параметрами работы транзисторов.
Второе ограничение связано с минимальным напряжением коллектор-эмиттер, при котором транзистор работает в активном режиме. Причем желательно, в линейной области. Это напряжение зависит от тока коллектора. Для современных маломощных транзисторов при малых токах, типичных для входных каскадов, это напряжение может быть 0.5 В, и даже меньше.
Но нужно учесть и падение напряжения на коллекторных резисторах создаваемое током источника тока. Предположим, что в сумме напряжение на эмиттерах транзисторов, относительно положительного полюса источника питания, не должно быть менее 1 В. И это дает нам второе значение ограничения, тоже никак не связанное с предельными режимами работы транзисторов.
Таким образом, что бы наш дифференциальный каскад работал в линейном режиме, напряжение на входах не должно быть менее 2.5 В, относительно отрицательного полюса источника питания. И не должно быть более Uп-0.4 В.
Интересный результат, не правда ли? Ведь мы только что приняли, что напряжение между эмиттерами и плюсом питания не должно быть менее 1 В. Но ведь это на эмиттерах, а входами являются базы.
Если рассматривать не отдельно взятый входной каскад, а усилитель в целом, причем охваченный ООС, то нелинейность можно снизить, что позволить ослабить ограничения. Точные цифры нам не обязательны. Но максимальное напряжение на входах, при сохранении линейности, практически достигнет напряжения питания. А минимальное составит при мерно 2 В.
Хотелось бы наоборот, правда? Это позволит нам работать с близкими к нулю входными напряжениями, что гораздо важнее максимальных уровней входных напряжений. Собственно говоря, именно таки поступили в весьма популярных, и дешевых, ОУ LM358 (LM258, LM158, LM2904, LM324, LM224, LM2902). Вот так выглядит входной каскад таких ОУ
Что бы поменять местами пороги ограничений линейной работы нужно "перевернуть" каскад "вверх ногами". Именно это и сделали! И как мы только что видели, вернее, сами пришли к такому выводу, теперь напряжение на входах может быть практически равно напряжению источника питания, в данном случае, нулю.
В LM358 нагрузкой дифференциального каскада является простое токовое зеркало. Это позволяет работать с входными напряжениями еще более близкими к нулю.
В результате фирма ST Microelectronics заявляет
Input common-mode voltage range includes negative rails
То есть, синфазное входное напряжение включает уровень отрицательной шины питания. Того самого общего провода. Правда фирма Texas Instruments более осторожна, и более точна.
Common-Mode Input Voltage Range Includes Ground, Allowing Direct Sensing Near Ground
Уточнение заключается в словах "позволяя непосредственно работать с уровнями вблизи земли". Важное уточнение, так как при совсем малых напряжениях линейность может оказаться не совсем линейной. Да и коэффициент усиления (с разомкнутой петлей обратной связи) при этом снижается, что сказывается на точности.
Кстати, для LM358 входное синфазное напряжение должно быть ниже Uп-1.5 В, для обеспечения линейности (из документации). Это близко к нашему прикидочному значению.
Максимальное значение синфазного напряжения это не пороги линейности!
В списке параметров ОУ, в разделе "предельные значения", можно найти параметр "максимальное синфазное напряжение". Иногда это называется "максимальное напряжение на входах". Это параметр "живучести" ОУ. У современных ОУ максимальное напряжение на входах может достигать любой из шин питания, и даже немного превышать его (защитные диоды).
При этом ОУ не выйдет из строя, но вот линейность и точность при этом не гарантируется. Хотя может и обеспечиваться.
А что насчет полевых транзисторов?
В дифференциальных каскадах используются полевые транзисторы с p-n переходом или с изолированным затвором и встроенным каналом. Использование полевых транзисторов не влияет на ограничения источника тока, теперь уже, в истоковых цепях транзисторов. Сохраняются и ограничения минимального напряжения сток-исток, но уже в меньшей степени. Поэтому, в целом, нам сегодня и не важно, какие транзисторы использованы в ОУ.
Выходной каскад и его ограничения
В подавляющем большинстве случаев в ОУ используется двухтактный выходной каскад. При этом могут использоваться и биполярные, и полевые транзисторы.
Будем считать, что нагрузка является чисто активной. Два варианта подключения нагрузки возникают из-за однополярного питания. Если питание двухполярное, то нагрузка подключается к средней точке источника питания.
Если нагрузка подключена к положительному полюсу питания, то протекающий через нее ток создает падение напряжение между коллектором и эмиттером нижнего транзистора, когда он открыт. Если нагрузка подключена к общему проводу, то будет влиять падение напряжения на верхнем транзисторе. А для двухполярного питания будут влиять оба транзистора.
То есть, и здесь есть ограничения, но уже не для входных сигналов, а для выходного сигнала. Насколько велики эти ограничения мы уже видели в начале статьи. В LM358, который тоже служил нам примером, верхний предел выходного напряжения может быть на 4 В (худший случай) меньше напряжения питания (сопротивление нагрузки 2 кОм, питание +30 В). Зато минимальное выходное напряжение всего 20 мВ.
Rail-to-Rail ОУ
Можно встретить и другое название, ОУ с полным диапазоном входных и выходных сигналов. У таких усилителей входные и выходные напряжения могут быть очень близки к напряжениям шин питания. И при этом ОУ не просто сохраняет работоспособность (что не удивительно), но и обеспечивает все нормативные параметры. Это достигается схемотехнически и технологически.
Как говорит Analog Devices
Такие ОУ позволяют вам работать с меньшими напряжениями питания и размахом сигналов, близким к напряжениям питания, обеспечивая больший динамический диапазон.
Обратите на еще раз встретившуюся оговорку, БЛИЗКИМ к напряжениям питания. О равенстве речь не идет.
Уж эти то ОУ точно не требуют двухполярного питания? Да, тут все гораздо лучше, но все таки не идеально. Давайте посмотрим на пару примеров.
Первым примером будет ОУ MCP6001 от Microchip. Он специально разработан для низковольтных приложений, диапазон напряжений питания (однополярного) от 1.8 В до 6В. И выходное напряжение не достигает шин питания всего на 25 мВ! При сопротивлении нагрузки 10 кОм. Правда чуть дальше выясняется, что это напряжение насыщения выходного каскада, когда об особой линейности говорить уже сложновато.
Вторым примером будет LMC7101, который более универсален и работает при напряжении питания от 2.7 В до 15 В (однополярное). При напряжении питания 5 В и сопротивлении нагрузки 2 кОм выходное напряжение может не дотягивать до положительной шины питания 0.4 В, а до отрицательной 0.24 В. Заметно хуже, чем у MCP6001, но зато тут все честно, 0.01% искажений (гармонических). Да и сопротивление нагрузки тут заметно меньше. При напряжении питания 15 В выходное напряжение может не дотягивать уже на 0.8 В до положительной шины питания. И на 0.45 В до отрицательной.
Пожалуй, скажу еще про AD8027, у которого выходное напряжение не дотягивает до шин питания 60 мВ (100 мВ в худшем случае).
Итак, с некоторым запасом можно считать, что даже Rail-toRail ОУ не могут обеспечить выходное напряжение менее 100 мВ относительно отрицательной шины питания (общего провода). Конечно, многое зависит от сопротивления и вида нагрузки, варианта ее подключения. Выходные напряжения на уровне 30 мВ вполне достижимы для некоторых ОУ, хотя и не гарантируются при требовании высокой линейности.
Все определяется требуемой точностью
30 мВ минимальное выходное напряжение, насколько это критично? Если ОУ используется в усилителе переменного напряжения и мы можем задать достаточное напряжение смещения, то не критично. И мы можем спокойно использовать однополярное питание.
Для работы с постоянным напряжением уже сложнее. Если выходной сигнал лежит выше 1 В, то 30 мВ дадут погрешность 3 % при минимальном выходном напряжении. Это соответствует, например, коэффициенту усиления 10 и входному сигналу от 100 мВ.
А если требуется работать с входными сигналами менее 1 мВ и коэффициент усиления нельзя задать большим? Решением могло бы служить задание напряжения смещения для второго входа ОУ или источника сигнала. Но это не всегда возможно. Кроме того, это создает неудобства в работе с сигналом, ведь потом напряжение смещения нужно будет или компенсировать, или как то учитывать в расчете.
И это еще без учета возрастающей нелинейности входного каскада, которая возникает при практически равному нулю входному сигналу. Ведь не случайно серьезные производители (та же AD) говорят лишь о близком к шинам питания сигнале.
Вот в таких случаях использование двухполярного питания и является гораздо менее сложным и затратным способом обеспечения точности. Ведь при этом ноль на входе будет соответствовать именно нулю на выходе. Разумеется, в случае правильной балансировки ОУ.
Заключение
ОУ были разработаны для выполнения математических операций. Это требовало высокой точности, в том числе, в начале координат. И обеспечить это было гораздо проще, если начало координат располагается как можно дальше от всех граничных значений. То есть, ровно посередине между напряжениями питания.
При этом любой (почти любой) ОУ прекрасно работает и от однополярного источника питания. Нужно просто соблюдать требования к диапазонам входных и выходных напряжений. А для более высокой точности нужно вывести ОУ в работу ближе к половине напряжения питания задав, тем или иным способом, дополнительно смещение для входов ОУ.
Если использовать смещение невозможно, или слишком сложно, и нужна высокая точность, то необходимо использовать двухполярное питание.
Ну а практика, как и истина, располагается где то рядом, между этими двумя крайностями. Различных вариантов много. Просто не надо забывать, что даже Rail-to-Rail ОУ не дают нулевой погрешности при работе вблизи нуля при однополярном питании.
До новых встреч!