Операционный усилитель (ОУ) - один из самых главных элементов современной аналоговой электроники. (Кроме аналоговой, существует еще и цифровая электроника, о которой речь пойдет со временем).
Но прежде чем разобраться с ОУ и рядом схем на их основе (а создавать можно усилители с заранее задаваемым коэффициентом усиления, генераторы сигналов разнообразной формы, компараторы (устройства для сравнения сигналов), преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (АЦП) и цифровых в аналоговые (ЦАП), видеоусилители, активные фильтры, регуляторы тембра, стабилизаторы напряжения и много еще чего). Всего стандартные ОУ могут иметь свыше сотни схем включения.
Обратная связь
Обратная связь в радиоэлектронике - это процесс подачи выходного сигнала усилителя обратно на его вход. При этом, в зависимости от полярности выходного сигнала относительно входного, обратная связь (ОС) может быть положительной (ПОС) или отрицательной (ООС).
Положительная обратная связь
Представим себе неинвертирующий усилитель с некоторым коэффициентом усиления, например 10. При подаче на вход сигнала напряжением 1 мВ получаем на выходе 10 мВ. 5% выходного напряжения (что делается, например, потенциометрическим делителем на резисторах), а это в данный момент 0,05*10=0,5 (мВ), подаются на вход усилителя по цепи ПОС, и напряжение на входе возрастает до (1+0,5=1,5 мВ). Усиленный в 10 раз сигнал на выходе будет уже составлять 15 мВ, что после подавления в 20 раз (на вход по-прежнему подается 5% выходного напряжения) увеличит входной сигнал на 0,75 мВ, т.е. суммарно до 1,75 мВ, что дает 17,5 мВ на выходе.
Казалось бы, процесс бесконечный, и напряжение на выходе будет беспредельно возрастать. Но ведь на следующем цикле напряжение на выходе будет 18,75 мВ, еще на следующем 19,375 и т.п. Видно, что напряжение на выходе стремится к пределу 20 мВ. При этом напряжение сигнала как составляло 1 мВ, так и осталось на этом уровне, и приходим к выводу, что ПОС глубиной 5% увеличила коэффициент усиления усилителя в 2 раза, с 10 до 20.
Вывод таков: При каждом обходе по замкнутому контуру, содержащему усилитель и цепь положительной обратной связи, сигнал на выходе усилителя и суммарный сигнал на входе прогрессивно возрастают. Такой рост продолжается до тех пор, пока процесс не завершается установившимся режимом, для которого выполняются условия баланса.
Феноменом увеличения коэффициента усиления усилителя при охвате его цепью ПОС широко пользовались в ранние годы развития радиотехники; ПОС применялась в профессиональных, любительских и бытовых приемниках, называвшихся регенеративными. Ниже пример подобного радиоприемника на современном транзисторе, усиление регулируется переменным резистором вплоть до устойчивого приема. ОС обеспечивается отводом от катушки L.
А теперь подадим на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 10 не 5%, а 10% выходного напряжения (что означает, что глубина ОС возросла до 0,1). Напряжение на входе последовательно возрастает с 1 мВ до 2, затем 4, 8, 16 и т.д. милливольт, соответственно возрастая на выходе. Предел возрастанию выходного напряжения, а тем самым и коэффициента усиления, будет положен лишь напряжением питания. Но при этом для получения напряжения на выходе уже не будет нужен источник сигнала на выходе - раскачка произойдет за счет случайных флуктуаций напряжений, например при включении питания.
Вывод: при некотором значении глубины ПОС усилитель самовозбуждается, превращаясь в генератор колебаний. Частота генерации определяется характеристиками цепи ОС, которая может быть частотнозависимой. Примеры генераторов мы приводили в уроке 12 - генераторы на основе фазосдвигающей цепи, с мостом Вина, с колебательным контуром, мультивибратор. В теории ПОС доказывается, что для возникновения генерации глубина ПОС должна быть выше 1/К, где К - коэффициент усиления каскада. Или наоборот - коэффициент усиления каскада должен быть выше 1/a, где а - глубина обратной связи.
Отрицательная обратная связь
Не менее интересен случай подачи напряжения ОС на вход в противофазе, когда напряжение ОС частично погашает входной сигнала. Коэффициент усиления усилителя при этом уменьшается. Разберем на примере ООС с глубиной 5% и усилителе с коэффициентом усиления 10 и подаче на вход сигнала напряжением 1 мВ. В первом цикле напряжение на входе становится равным (1-0,5=0,5) мВ, во втором (1-0,25=0,75) мВ, в третьем (1-0,375=0,625) мВ, далее 0,6875; 0,65625 и т.д. Предельным значением становится 0,666(6) мВ, а коэффициент усиления снижается с 10 до 6,66(6).
При 100%-глубине ООС коэффициент усиления усилителя, вне зависимости от его усиления без ОС, близок к 1 (несколько меньше 1). С подобным случаем мы сталкивались на примере эмиттерного повторителя (Урок 13), где выходной сигнал полностью передается на вход усилителя (с резистора в цепи эмиттера на вход в цепь базы в противофазе).
В качестве курьеза можно указать, что в далеком 1928 году идея уменьшать коэффициент усиления усилителя цепью ООС казалась настолько глупой, что изобретателю было отказано в выдаче патента.
В настоящее же время без ООС невозможно представить работу многих электронных устройств, в т.ч. и операционного усилителя.
Операционный усилитель
Современный операционный усилитель (ОУ) - очень сложное микроэлектронное устройство, в котором на кристалле полупроводника миллиметровых размеров располагаются десятки, сотни и тысячи транзисторов (биполярных и полевых, Урок 18), размеры каждого из которых исчисляются микрометрами, а также резисторы и конденсаторы.
Проанализировать схему ОУ так, как мы привыкли анализировать схемы устройств на нескольких транзисторах, невозможно. Бόльшая часть транзисторов ОУ имеет вспомогательное назначение - например, обеспечить эффективную термостабилизацию ОУ (стабилизацию положения рабочей точки усилительного элемента при изменении температуры).
Нам совершенно необязательно знать досконально внутреннее устройство ОУ. Разработкой ОУ занимаются высококвалифицированные специалисты в области электроники с применением программ схемотехнического моделирования, и результатам их работы следует доверять. Достаточно знать, как ОУ реагирует на сигналы на входах напряжением на выходе. Коэффициент усиления ОУ огромен, и достигает значений, необходимость в которых на практике возникает редко. Это уже само по себе удивительно, но разгадка впереди.
Если дать определение ОУ, то оно будет звучать так:
- ОУ - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом.
Дифференциальный усилитель – это симметричный усилитель с двумя входами и двумя выходами (также и с одним), использующийся для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходное напряжение такого усилителя пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его входам, и не зависит от их абсолютной величины.
Ниже представлена схема простого дифференциального усилителя с несимметричным выходом, всего на 2 транзисторах, помогающая понять принцип работы настоящего ОУ.
Эта схема требует 2 источников питания одинакового напряжения и разной полярности (т.н. двухполярного источника питания). Напряжение на коллекторах выбирается равным половине напряжения Ек, а во время работы усилителя напряжение на эмиттерах неизменно. Схема симметричная, но выход только один с коллектора правого по рисунку транзистора; правую часть схемы можно рассматривать как усилитель с ОЭ, и подаваемое на вход 2 напряжение инвертируется (т.е. снимаемое с коллектора напряжение находится в противофазе с напряжением на входе 2).
Левую часть схемы, поскольку с нее напряжение на правую часть схемы передается с резистора в цепи эмиттера Rэ, можно рассматривать как эмиттерный повторитель. Его выходное напряжение через резистор Rэ передается в цепь базы правого транзистора с инверсией, в итоге вход 1 оказывается неинвертирующим (две инверсии дают в итоге отсутствие инверсии - "минус на минус дает плюс").
Вот теперь можно перейти непосредственно к ОУ. ОУ выполняется в интегральном исполнении (интегральная схема - ИС), и является дифференциальным усилителем с огромным коэффициентом усиления. Дифференциальными входы ОУ называются оттого, что ОУ реагирует своим выходом только на разность потенциалов входов - если подать одинаковые потенциалы на оба входа одновременно, потенциал выхода не изменится. Выходные каскады ОУ выполнены по известной вам схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивает малое выходное сопротивление. ОУ усиливает сигналы с частотой от постоянного тока до нескольких мегагерц.
Как следует из описания, минимальное число выводов ОУ равно 5 (2 входа, 1 выход, 2 вывода для подключения 2 разнополярных источников питания). У ОУ среди выводов может быть и заземляющий вывод, но его наличие не обязательно, а когда он есть, он не всегда подключается к корпусу устройства (да и корпуса ОУ могут быть как металлическими, так и пластмассовыми), все определяется схемой устройства и уровнем входных напряжений. Обычно при заземлении вывода "земля" ОУ его характеристики ухудшаются, он становится чувствительным к асимметрии 2-х напряжений питания разной полярности.
Также могут быть и дополнительные выводы, к которым подключаются внешние элементы согласно даташиту (технический паспорт — официальный документ от производителя, содержащий полные технические характеристики, параметры и рекомендации по использованию конкретного электронного компонента) ОУ для целей стабилизации, балансировки и коррекции работы ОУ.
Источники питания ОУ обычно напряжением ±15 В, а выходное напряжение изменяется обычно в пределах, меньших диапазона питания на 2 В. Впрочем, бывают и ОУ с напряжением питания ±6,3 В, и даже ±3 В. На схемах ОУ изображается следующим образом, возможны как левый, так и правый вариант в зависимости от удобства расположения выводов.
Сигналы на каждый из двух входов можно подавать в любой полярности относительно земли, знаки + и - всего лишь обозначают соответственно неинвертирующий и инвертирующий входы. То, что к ОУ подключены 2 источника питания, на схеме не всегда обозначается, поскольку это подразумевается. На корпусе ОУ может быть и вывод земли, но он обычно с землей схемы не соединяется, подробнее см. выше. (Относительно земли схемы отсчитываются напряжения на входах и напряжения источников питания). Также, у ОУ могут быть дополнительные выводы установки нуля (баланса).
Применяется и другое обозначение ОУ.
На условном обозначении слева 2 входа, инвертирующий обозначен кружком. Справа выход (сверху) и 2 вывода подключения источников питания с указанием полярности (снизу).
Одна из особенностей ОУ состоит в том, что напряжение на двух его входах всегда стремятся выровняться, стать одинаковыми. Выполняется это равенство действием внешних цепей обратных связей, без которых, как мы уже упоминали, работа ОУ немыслима. Обратная связь с выхода ОУ всегда подается на инвертирующий вход (обозначаемый -), чтобы быть отрицательной по фазе.
Усилители на операционных усилителях
Рассмотрим несколько типовых схем с ОУ.
Инвертирующий усилитель
Неинвертирующий вход заземлен, а в силу особенности ОУ (напряжение на двух его входах всегда стремятся выровняться, стать одинаковыми) потенциал инвертирующего входа также нулевой. Тогда видно, что напряжение на R1 пропорционально входному напряжению, а на R2 выходному. Отсюда коэффициент усиления усилителя равен R2/R1, и может быть задан нужным выбором номиналов резисторов цепи ОС R2-R1. Если R1=5 кОм, а R2=100 кОм, коэф. усиления каскада равен R2/R1=100/5=20 (при этом коэф. усиления идеального ОУ считается бесконечно большим, по факту же составляя значения порядка 100.000-1.000.000 для реальных ОУ).
Также из свойств ОУ следует, что входное сопротивление каскада равно R1 (оттого оно выбирается в несколько десятков раз больше внутреннего сопротивления источника сигнала), выходное сопротивление составляет доли ома.
Неинвертирующий усилитель
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по схеме выше определится из того, что исходя из свойства ОУ, потенциалы точки А и входа + равны, откуда входное напряжение пропорционально R1, а выходное R2+R1, откуда коэф. усиления = (R2+R1)/R1= 1+R2/R1. Входное сопротивление каскада очень велико, порядка от 100 МОм до 1 терома (1.000.000 мегом). Выходное сопротивление составляет доли ома.
Повторитель (буфер)
Это вариант неинвертирующего усилителя по предыдущей схеме с номиналами резисторов R1=∞, R2=0. Отсюда коэф. усиления = 1+R2/R1=1+0/∞=1. Эта схема - аналог эмиттерного повторителя с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным.
Буфер позволяет передавать сигнал из одной части схемы в другую, при этом исключается взаимное влияние обоих частей схемы.
Вариант входа для усилителя переменного тока
ОУ является усилителем в широком диапазоне частот, начиная с постоянного тока (частота=0). В случае необходимости усиливать только переменное напряжение, применяется вариант схемы с разделительным конденсатором, один из примеров ниже.
Наличие резистора после разделительного конденсатора обязательно, номиналы сопротивлений выбираются в зависимости от необходимого коэф. усиления каскада.
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.
ЦАП по схеме выше представляет собой инвертирующий усилитель с 3 входами, к которым подводятся разряды единиц (с усилением 1, десятков (с усилением 10) и сотен (с усилением 100). Сигнал на выходе представляет собой взвешенную сумму кодов на входе, пропорциональный значению кодированной величины.
Генераторы сигналов на ОУ
Прежде чем перейти к схеме генератора прямоугольных импульсов, необходимо рассмотреть схему компаратора.
Компаратор
Компаратор - это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (Uвх) с опорным напряжением (Uоп). Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности. Входное напряжение изменяется во времени.
При достижении входным напряжение уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например, с U+вых на U-вых . При равенстве Uоп =0 ОУ осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит при Uвх – Uоп ≈0.
Компаратор имеет "релейную" характеристику и выдает на выходе только 2 дискретных значения напряжения.
Генератор прямоугольных импульсов
Один из вариантов генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе (ОУ) — релаксационный генератор. Но как мы помним, релаксационный генератор на неоновой лампе (Урок 12) генерирует импульсы пилообразной формы. Но если импульсы пилообразной формы подавать на вход компаратора и сравнивать их с некоторым напряжением, средним между размахом напряжения генератора, то на выходе ОУ появляются импульсы прямоугольной формы.
Делитель на 2 одинаковых резисторах 10 кОм подает на неинвертирующий вход ОУ (+) половинное напряжение питания U+/2. Резистор R заряжает конденсатор С напряжением U+ с выхода, напряжение прикладывается к инвертирующему входу (-); по достижению напряжением порога срабатывания компаратора U+/2 напряжение на выходе скачком меняется с U+ до U-, конденсатор начинает разряжаться, и по достижению нового порога срабатывания U-/2 на выходе появляется напряжение U+, и процесс повторяется. Таким образом, на выходе ОУ появляется сигнал прямоугольной формы.
Генераторы гармонических (синусоидальных) импульсов
Выше 2 схемы генераторов синусоидальных колебаний, с которыми мы уже знакомы на примере транзисторных генераторов (Урок 12). Слева схема с фазосдвигающей цепочкой, требующая инвертирования для запуска генератора - выход цепочки подключен к инвертирующему входу ОУ. Справа схема с мостом Вина, который требует неинвертирующего усилителя - выход моста Вина подключен к неинвертирующему входу; необходимый коэффициент усиления обеспечивается резисторами R0 и R1.
Во всех представленных выше генераторах основной проблемой является обеспечение стабильности амплитуды выходного напряжения. Решением данной проблемы является использование в схеме автоматической стабилизации амплитуды путем введения нелинейных сопротивлений в цепь ООС ОУ. Данному вопросу (нелинейным сопротивлениям) будет посвящен урок 15.
Питание ОУ от одного источника напряжения
Иногда оказывается удобным питать ОУ от одного источника питания, в этом случае путем схемного ухищрения создается искусственное напряжение относительно земли в половину напряжения единственного источника питания.
Ниже пример подобной схемы.
Напряжение единственного источника питания V=30 В (удвоенное стандартное напряжение питания +/- 15 В) делится пополам одинаковыми резисторами R4 и R1 с образованием средней точки (виртуального нуля) - обозначен на схеме красной точкой. Конденсатор С2 призван уменьшать импульсные помехи и пульсации питания на виртуальном нуле, а резистор R3 развязывает неинвертирующий вход (+) с виртуальным нулем.
Усиление каскада определяется резисторами R5 и R2 и составляет (1+R5/R2)=(1+30/10)=4.
Тем не менее, всегда стоит учитывать, что работа с раздельными симметричными источниками питания - это нормальная схема включения операционных усилителей.
Схемотехника для начинающих