Мгту «мами» — кафедра «автоматика и процессы управления. Инвертирующий операционный усилитель

Было показано, что при использовании операционного усилителя в различных схемах включения, усиление каскада на одном операционном усилителе (ОУ), зависит только от глубины обратной связи. Поэтому в формулах для определения усиления конкретной схемы не используется коэффициент усиления самого, если так можно выразиться, «голого» ОУ. То есть как раз тот огромный коэффициент, который указывается в справочниках.

Тогда вполне уместно задать вопрос: «Если от этого огромного «справочного» коэффициента не зависит конечный результат (усиление), тогда в чем же разница между ОУ с усилением в несколько тысяч раз, и с таким же ОУ, но с усилением в несколько сотен тысяч и даже миллионов?».

Ответ достаточно простой. И в том и в другом случае результат будет одинаковый, усиление каскада будет определяться элементами ООС, но во втором случае (ОУ с большим усилением) схема работает более стабильно, более точно, быстродействие таких схем намного выше. Неспроста ОУ делятся на ОУ общего применения и высокоточные, прецизионные.

Как уже было сказано свое название «операционные» рассматриваемые усилители получили в то далекое время, когда в основном применялись для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). Это были операции сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в квадрат и еще множества других функций.

Эти допотопные ОУ выполнялись на электронных лампах, позднее на дискретных транзисторах и прочих радиодеталях. Естественно, габариты даже транзисторных ОУ были достаточно велики, чтобы использовать их в любительских конструкциях.

И только после того, как благодаря достижениям интегральной электроники, ОУ стали размером с обычный маломощный транзистор, то использование этих деталей в бытовой аппаратуре и любительских схемах стало оправданным.

Кстати, современные ОУ, даже достаточно высокого качества, по цене ненамного выше двух - трех транзисторов. Это утверждение касается ОУ общего применения. Прецизионные усилители могут стоить несколько дороже.

По поводу схем на ОУ сразу стоит сделать замечание, что все они рассчитаны на питание от двухполярного источника питания. Такой режим является для ОУ наиболее «привычным», позволяющим усиливать не только сигналы переменного напряжения, например синусоиду, но также и сигналы постоянного тока или попросту напряжение.

И все-таки достаточно часто питание схем на ОУ производится от однополярного источника. Правда, в этом случае не удается усилить постоянное напряжение. Но часто случается, что в этом просто нет необходимости. О схемах с однополярным питанием будет рассказано далее, а пока продолжим о схемах включения ОУ с двухполярным питанием.

Напряжение питания большинства ОУ чаще всего находится в пределах ±15В. Но это вовсе не значит, что это напряжение нельзя сделать несколько ниже (выше не рекомендуется). Многие ОУ весьма стабильно работают начиная от ±3В, а некоторые модели даже ±1,5В. Такая возможность указывается в технической документации (DataSheet).

Повторитель напряжения

Является самым простым по схемотехнике устройством на ОУ, его схема показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Нетрудно видеть, что для создания такой схемы не понадобилось ни одной детали, кроме собственно ОУ. Правда, на рисунке не показано подключение питания, но такое начертание схем встречается сплошь и рядом. Единственное, что хотелось бы заметить, - между выводами питания ОУ (например для ОУ КР140УД708 это выводы 7 и 4) и общим проводом следует подключить емкостью 0,01…0,5мкФ.

Их назначение в том, чтобы сделать работу ОУ более стабильной, избавиться от самовозбуждения схемы по цепям питания. Конденсаторы должны быть подключены по возможности ближе к выводам питания микросхемы. Иногда один конденсатор подключается из расчета на группу из нескольких микросхем. Такие же конденсаторы можно увидеть и на платах с цифровыми микросхемами, назначение их то же самое.

Коэффициент усиления повторителя равен единице, или, сказать по- другому, никакого усиления и нет. Тогда зачем нужна такая схема? Здесь вполне уместно вспомнить, что существует транзисторная схема - эмиттерный повторитель, основное назначение которого согласование каскадов с различными входными сопротивлениями. Подобные каскады (повторители) называют еще буферными.

Входное сопротивление повторителя на ОУ рассчитывается как произведение входного сопротивления ОУ на его же коэффициент усиления. Например, для упомянутого УД708 входное сопротивление составляет приблизительно 0,5МОм, коэффициент усиления как минимум 30 000, а может быть и более. Если эти числа перемножить, то входное сопротивление получается, 15ГОм, что сравнимо с сопротивлением не очень качественной изоляции, например бумаги. Такого высокого результата вряд ли удастся достигнуть с обычным эмиттерным повторителем.

Чтобы описания не вызывали сомнения, ниже будут приведены рисунки, показывающие работу всех описываемых схем в программе - симуляторе Multisim. Конечно все эти схемы можно собрать на макетных платах, но ничуть не худшие результаты можно получить и на экране монитора.

Собственно, тут даже несколько лучше: совсем не надо лезть куда-то на полку, чтобы поменять резистор или микросхему. Здесь все, даже измерительные приборы, находится в программе, и «достается» при помощи мышки или клавиатуры.

На рисунке 2 показана схема повторителя, выполненная в программе Multisim.

Рисунок 2.

Исследование схемы провести достаточно просто. На вход повторителя от функционального генератора подан синусоидальный сигнал частотой 1КГц и амплитудой 2В, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Сигнал на входе и выходе повторителя наблюдается осциллографом: входной сигнал отображается лучом синего цвета, выходной луч - красный.

Рисунок 4.

А почему, спросит внимательный читатель, выходной (красный) сигнал в два раза больше входного синего? Все очень просто: при одинаковой чувствительности каналов осциллографа обе синусоиды с одной амплитудой и фазой сливаются в одну, прячутся друг за друга.

Для того чтобы разглядеть из сразу обе, пришлось снизить чувствительность одного из каналов, в данном случае входного. В результате синяя синусоида стала на экране ровно вдвое меньше, и перестала прятаться за красную. Хотя для достижения подобного результата можно просто сместить лучи органами управления осциллографа, оставив чувствительность каналов одинаковой.

Обе синусоиды расположены симметрично относительно оси времени, что говорит о том, что постоянная составляющая сигнала равна нулю. А что будет, если к входному сигналу добавить небольшую постоянную составляющую? Виртуальный генератор позволяет сдвинуть синусоиду по оси Y. Попробуем сдвинуть ее вверх на 500мВ.

Рисунок 5.

Что из этого получилось показано на рисунке 6.

Рисунок 6.

Заметно, что входная и выходная синусоиды поднялись вверх на полвольта, при этом ничуть не изменившись. Это говорит о том, что повторитель в точности передал и постоянную составляющую сигнала. Но чаще всего от этой постоянной составляющей стараются избавиться, сделать ее равной нулю, что позволяет избежать применения таких элементов схемы, как межкаскадные разделительные конденсаторы.

Повторитель это, конечно, хорошо и даже красиво: не понадобилось ни одной дополнительной детали (хотя бывают схемы повторителей и с незначительными «добавками»), но ведь усиления никакого не получили. Какой же это тогда усилитель? Чтобы получился усилитель достаточно добавить всего несколько деталей, как это сделать будет рассказано дальше.

Инвертирующий усилитель

Для того, чтобы из ОУ получился инвертирующий усилитель достаточно добавить всего два резистора. Что из этого получилось, показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления такого усилителя рассчитывается по формуле K=-(R2/R1). Знак «минус» говорит не о том, что усилитель получился плохой, а всего лишь, что выходной сигнал будет противоположен по фазе входному. Недаром усилитель и называется инвертирующим. Здесь было бы уместно вспомнить транзистор включенный по схеме с ОЭ. Там тоже выходной сигнал на коллекторе транзистора находится в противофазе с входным сигналом, поданным на базу.

Вот тут как раз и стоит вспомнить, сколько усилий придется приложить, чтобы на коллекторе транзистора получить чистую неискаженную синусоиду. Требуется соответствующим образом подобрать смещение на базе транзистора. Это, как правило, достаточно сложно, зависит от множества параметров.

При использовании ОУ достаточно просто подсчитать сопротивление резисторов согласно формулы и получить заданный коэффициент усиления. Получается, что настройка схемы на ОУ намного проще, чем настройка нескольких транзисторных каскадов. Поэтому не надо бояться, что схема не заработает, не получится.

Рисунок 8.

Здесь все так же, как и на предыдущих рисунках: синим цветом показан входной сигнал, красным он же после усилителя. Все соответствует формуле K=-(R2/R1). Выходной сигнал находится в противофазе с входным (что соответствует знаку «минус» в формуле), и амплитуда выходного сигнала ровно в два раза больше входного. Что также справедливо при соотношении (R2/R1)=(20/10)=2. Чтобы сделать коэффициент усиления, например, 10 достаточно увеличить сопротивление резистора R2 до 100КОм.

На самом деле схема инвертирующего усилителя может быть несколько сложнее, такой вариант показан на рисунке 9.

Рисунок 9.

Здесь появилась новая деталь - резистор R3 (скорее она просто пропала из предыдущей схемы). Его назначение в компенсации входных токов реального ОУ с тем, чтобы уменьшить температурную нестабильность постоянной составляющей на выходе. Величину этого резистора выбирают по формуле R3=R1*R2/(R1+R2).

Современные высокостабильные ОУ допускают подключение неинвертирующего входа на общий провод напрямую без резистора R3. Хотя присутствие этого элемента ничего плохого и не сделает, но при теперешних масштабах производства, когда на всем экономят, этот резистор предпочитают не ставить.

Формулы для расчета инвертирующего усилителя показаны на рисунке 10. Почему на рисунке? Да просто для наглядности, в строке текста они смотрелись бы не так привычно и понятно, были бы не столь заметны.

Рисунок 10.

Про коэффициент усиления было сказано ранее. Здесь заслуживают внимания разве что входные и выходные сопротивления неинвертирующего усилителя. С входным сопротивлением все, вроде, ясно: он получается равным сопротивлению резистора R1, а вот выходное сопротивление придется посчитать, по формуле, показанной на рисунке 11.

Буквой K” обозначен справочный коэффициент ОУ. Вот, пожалуйста, посчитайте чему будет равно выходное сопротивление. Получится достаточно маленькая цифра, даже для среднего ОУ типа УД7 при его K” равным не более 30 000. В данном случае это хорошо: ведь чем ниже выходное сопротивление каскада (это касается не только каскадов на ОУ), тем более мощную нагрузку, в разумных, конечно, пределах, к этому каскаду можно подключить.

Следует сделать отдельное замечание по поводу единицы в знаменателе формулы для расчета выходного сопротивления. Предположим, что соотношение R2/R1 будет, например, 100. Именно такое отношение получится в случае коэффициента усиления инвертирующего усилителя 100. Получается, что если эту единицу отбросить, то особо ничего не изменится. На самом деле это не совсем так.

Предположим, что сопротивление резистора R2 равно нулю, как в случае с повторителем. Тогда без единицы весь знаменатель превращается в нуль, и таким же нулевым будет выходное сопротивление. А если потом этот нуль окажется где-то в знаменателе формулы, как на него прикажете делить? Поэтому от этой вроде бы незначительной единицы избавиться просто невозможно.

В одной статье, даже достаточно большой, всего не написать. Поэтому придется все, что не уместилось рассказать в следующей статье. Там будет описание неинвертирующего усилителя, дифференциального усилителя, усилителя с однополярным питанием. Также будет приведено описание простых схем для проверки ОУ.

24. Инвертирующий усилитель на оу.

25. Неинвертирующий усилитель на оу.

Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 9.6. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы получим, так же, как и для предыдущей, из уравнений, составленных по закону Кирхгофа

С учетом (9.13) выражение для коэф- фициента усиления будет иметь вид

Из следует, что коэффициент усиления по напряжению в схеме неин- вертирующего усилителя всегда больше 1. В отличие от схемы инвертирующего усилителя в данной схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению, последовательной по входу. Поэтому входное сопро- тивление этой схемы значительно больше входного сопротивления ОУ без ОС:

Выходное сопротивление определяется, как и для инвертирующего усилителя, согласно (9.16).

26. Схема сумматора на оу.

К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Эти схемы используются для решения алгебраических уравнений и в устройствах аналоговой обработки сигналов. Сумматором называется устройство, на выходе которого сигналы, подаваемые на его входы, суммируются. Сумматоры строятся с использованием инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

Инвертирующий сумматор

Схема инвертирующего сумматора с тремя входными сигналами приведена на рис. 11.10. Для простоты рассуждений принимаем, что R1=R2=R3=Roc.

Поскольку у идеального ОУ K U →∞, Rвx →∞, а ток смещения очень мал по сравнению с током обратной связи, то согласно закона Кирхгофа I1+I2+I3=Iос. (11.19) Вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, то в нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Выражение (11.19) может быть представлено в виде Следовательно на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений. Если R1≠R2≠R3, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений (11.20) с различными масштабными коэффициентами. Инвертирующий сумматор объединяет в себе функции сумматора и усилителя при сохранении простоты схемы. Резистор R служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ, вызванного временными и температурными колебаниями входного тока. Сопротивление R выбирают токай величины, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ были одинаковы: R=Roc ||R1||R2||R3 .

Неинвертирующий сумматор

Схема неинвертирующего сумматора, который строится на базе неинвертирующего усилителя, приведена на рис. 11.11. Так как при U0=0 напряжения на инвертирующем и неинвертиющем входах равны, то

Учитывая, что RвxОУ по неинвертирующему входу очень велико, то входной ток равен 0. Согласно закона Кирхгофа можно записать

Если же в схеме (рис. 11.11) еще подаются сигналы на инвертирующие входы, то схема выполняет операцию сложения- вычитания. Для правильной работы сумматора необходимо сбалансировать инвертирующий и неинвертирующий коэффициент усиления, т.е. обеспечить равенство сумм коэффициентов усиления инвертирующей и неинвертирующей частей схемы.

27. Дифференцирующий усилитель на оу.

Дифференцирующий усилитель (дифференциатор) предназначен для получения выходного сигнала пропорционального скорости изменения входного. При дифференцировании сигнала ОУ должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения, а коэффициент усиления дифференцирующего звена должен возрастать при увеличении скорости изменения входного напряжения. Схема дифференциатора, на входе которого включен конденсатор С, а в цепи ОС – резистор, представлена на рис. 11.13. Полагая, что ОУ идеальный, ток через резистор обратной связи можно считать равным току через конденсатор Iс+Ir=0,

, тогда

Рассмотренный дифференциатор используется редко из-за следующих недостатков:

1. Низкого входного сопротивления на высоких частотах, определяемого емкостью С;

2. Относительно высокого уровня шумов на выходе обусловленного большим усилением на высоких частотах;

3. Склонности к самовозбуждению. (данная схема может быть неустойчивой в области частот, где частотная характеристика дифференциатора (кривая 1 на рис.11.14), имеющая подъем 20 дБ/дек, пересекается с АЧХ скорректированного ОУ, имеющего спад −20дБ/ дек (кривая 2 на рис. 11.14). Амплитудно-частотная характеристика разомкнутой системы в некоторой части частотного диапазона имеет

спад –40 дБ/дек, который определяется разностью наклона кривых 1 и 2, а фазовый сдвиг ϕ = –180°, что и указывает на возможность самовозбуждения.)

Чтобы избежать проявления этих недостатков дифференциатора принимаются следующие схемотехнические решения:

1. Резистор обратной связи шунтируется конденсатором, ёмкость которого выбирается такой, чтобы участок АЧХ ОУ со спадом -20 дБ/дек начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференциального сигнала. Это приводит к уменьшению высокочастотных составляющих шума в выходном сигнале. Такой участок начинается на частоте f=1/(2πRocCoc).

2. Последовательно со входным конденсатором С включается резистор, который ограничивает коэффициент усиления на высоких частотах дифференциатора. Это обеспечивает динамическую устойчивость и снижает входной ёмкостной ток от источника сигнала.

3. Использование ОУ с низким напряжением смещения и малыми входными токами, а также конденсаторов с малыми токами утечек и малошумящих резисторов.

Практическая схема дифференциатора и его АЧХ приведены на

рис. 11.15. Введение резистора R приводит к появлению на частотной характеристике (кривая 1 на рис. 11.15,б) горизонтального участка, где не происходит дифференцирования на частотах, превышающих частоту

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения - выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия.

Необходимо отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (K и ОУ =∞), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

На рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ - упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).

Рисунок 6.1. Условные обозначения ОУ

На основе требований к характеристикам идеального ОУ можно синтезировать его внутреннюю структуру, представленную на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2. Структурная схема ОУ

Упрощенная электрическая схема простого ОУ, реализующая структурную схему рисунка 6.2, показана на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Схема простого ОУ

Данная схема содержит входной ДУ (VT 1 и VT 2) с токовым зеркалом (VT 3 и VT 4), промежуточные каскады с ОК (VT 5) и с ОЭ (VT 6), и выходной токовый бустер на транзисторах VT 7 и VT 8 . ОУ может содержать цепи частотной коррекции (C кор), цепи питания и термостабилизации (VD 1 , VD 2 и др.), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала. С целью получения высокого входного сопротивления входной ДУ может быть выполнен на ПТ. Следует отметить большое разнообразие схемных решений ОУ, однако основные принципы их построения достаточно полно иллюстрирует рисунок 6.3.

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи K u ОУ , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается K u ОУ 0 и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.

Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:

◆ напряжение смещения нуля U см ;

◆ температурная чувствительность напряжения смещения нуля dU см /dT ;

◆ ток смещения ΔI вх ;

◆ средний входной ток I вх ср .

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным R вхОУ и выходным R выхОУ сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток I выхОУ и минимальное сопротивление нагрузки R н min , а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной. Упрощенные эквивалентные схемы входной и выходной цепи ОУ представлены на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4. Простая линейная макромодель ОУ

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=20lg·(ΔE /ΔU вх ). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.

К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±E, ток потребления (покоя) I П и потребляемая мощность. Как правило, I П составляет десятые доли - десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая I П , единицы - десятки милливатт.

К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:

◆ максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала U вых max (обычно чуть меньше Е);

◆ максимально допустимая мощность рассеивания;

◆ рабочий диапазон температур;

◆ максимальное напряжение питания;

◆ максимальное входное дифференциальное напряжение и др.

К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления f T (F 1), т.е. частота, на которой K u ОУ =1. Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представлены на рисунке 6.5 в виде двух зависимостей U вых =f (U вх ) для инвертирующего и неинвертирующего входов.

Когда на обоих входах ОУ U вх =0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки U ош , определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 U ош не показано ввиду его малости).

Рисунок 6.5. АХ ОУ

Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, K u ОУ =φ(lg f ). Такая АЧХ называется логарифмической (ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке 6.6 (для ОУ К140УД10).

Рисунок 6.6. ЛАЧХ и ЛФЧХ ОУ К140УД10

Частотную зависимость K u ОУ можно представить в виде:

Здесь τ в постоянная времени ОУ, которая при M в =3 дБ определяет частоту сопряжения (среза) ОУ (см. рисунок 6.6);

ω в = 1/τ в = 2πf в .

Заменив в выражении для K u ОУ τ в на 1/ω в , получим запись ЛАЧХ:

На НЧ и СЧ K u ОУ =20lgK u ОУ 0 , т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот. С некоторым приближением можем считать, что в области ВЧ спад K u ОУ происходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тогда при ω>>ω в можно упростить выражение для ЛАЧХ:

K u ОУ = 20lgK u ОУ 0 – 20lg(ω/ω в ).

Таким образом, ЛАЧХ в области ВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ, соответствует частоте сопряжения ω в (f в ). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте f в составляет порядка 3дБ (см. рисунок 6.6), однако для удобства анализа с этим мирятся, и такие графики принято называть диаграммами Боде .

Следует заметить, что скорость спада ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скорректированных ОУ с внешней или внутренней коррекцией, основные принципы которой будут рассмотрены ниже.

На рисунке 6.6 представлена также логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ), представляющая собой зависимость фазового сдвига j выходного сигнала относительно входного от частоты. Реальная ЛФЧХ отличается от представленной не более чем на 6°. Отметим, что и для реального ОУ j=45° на частоте f в , а на частоте f T - 90°. Таким образом, собственный фазовый сдвиг рабочего сигнала в скорректированном ОУ в области ВЧ может достигнуть 90°.

Рассмотренные выше параметры и характеристики ОУ описывают его при отсутствии цепей ООС. Однако, как отмечалось, ОУ практически всегда используется с цепями ООС, которые существенно влияют на все его показатели.

Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7. Инвертирующий усилитель на ОУ

Резистор R 1 представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала E г , посредством R ос ОУ охвачен ∥ООСН.

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R 2 , то потенциал в точке a тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: I г =I ос , т.е. E г /R 1 =–U вых /R ос . Отсюда получаем:

K U инв = U вых /E г = –R ос /R 1 ,

т.е. при идеальном ОУ K U инв определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток I вх , т.е. I г =I ос +I вх или (E г –U вх )/R 1 =(U вх –U вых )/R ос +U вх /U вхОУ , где U вх - напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a . Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. K u ОУ /K U инв =F >10, погрешность расчета K U инв для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина R ос превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного R ос (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что R ос 1 =R ос 2 >>R ос 3 , а величина R 1 обычно задана, поэтому R ос 3 определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ R вх инв имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

R вх инв = R 1 +(R ос /K u ОУ + 1)∥R вхОУ ≈ R 1 ,

т.е. при больших K u ОУ входное сопротивление определяется величиной R 1 .

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R вых инв в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной R вых ОУ , так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

R вых инв = R вых ОУ /F = R вых ОУ /K U инв /K u ОУ .

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

f вОС = f T /K U инв .

В пределе можно получить K U инв =1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

R вых пов = R вых ОУ /K u ОУ .

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при U вх =0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки U ош , порождаемое U см и ΔI вх . С целью снижения U ош стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять R 2 =R 1 ∥R ос (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для K U инв >10 можно записать:

U ош ≈ U см K U инв + ΔI вх R ос .

Уменьшение U ош возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

На основе рассмотренного инвертирующего УПТ возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M н (см. подраздел 2.5).

Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку U вх и U ос подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

U вх = U вых R 1 /(R 1 + R ос ),

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

K U неинв = 1 + R ос /R 1 ,

K U неинв = 1 + |K U инв |.

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R вх неинв велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением R вхОУ :

R вх неинв = R вхОУ ·F = R вхОУ ·K U ОУ /K U неинв .

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

R вых неинв = R выхОУ /F = R выхОУ /K U неинв /K U ОУ .

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.

f вОС = f T /K U неинв .

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

R г = R 1 ∥R ос .

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших R г (что возможно за счет большого R вх неинв ), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ ⇒ выход ОУ ⇒ R ос ⇒ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению U ош , что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение K U неинв =1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9. Неинвертирующий повторитель на ОУ

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

U ош ≈ U см + I вх ср R г ≈ I вх ср R г ,

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M н (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

разностный (дифференциальный) усилитель , схема которого приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для U вых разностного усилителя можно записать:

U вых = K U инв U вх 1 + K U неинв U вх 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Как правило, R 1 =R 2 и R 3 =R ос , следовательно, R 3 /R 2 =R ос /R 1 =m . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

U вых = m (U вх 2 – U вх 1),

Для частного случая при R 2 =R 3 получим:

U вых = U вх 2 – U вх 1 .

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11. Разностный усилитель на повторителях

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель , принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 Логарифмический усилитель на ОУ

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи I 1 и I 2 . Используя выражение для ВАХ p-n перехода {I =I 0 ·}, нетрудно записать:

U вх /R = I 0 ·,

откуда после преобразований получим:

U вых = φ T ·ln(U вх /I 0 R ) = φ T (lnU вх – lnI 0 R ),

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член lnI 0 R представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель .

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматоры на ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

Рисунок 6.13. Инвертирующий сумматор на ОУ

U вх 1 /R 1 + U вх 2 /R 2 + U вх 3 /R 3 = –U вых /R ос ,

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления K U инв . При R ос =R 1 =R 2 =R 3 K U инв =1 и U вых =U вх 1 +U вх 2 +U вх 3 .

При выполнении условия R 4 =R ос ∥R 1 ∥R 2 ∥R 3 токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле U ош =U см (K U ош +1), где K U ош =R ос /(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем K U инв .

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора R ос конденсатором C (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

Рисунок 6.14. Аналоговый интегратор на ОУ

При идеальном ОУ можно приравнять токи I 1 и I 2 , откуда следует:

Точность интегрирования тем выше, тем больше K u ОУ .

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

Под коррекцией частотных характеристик будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и, прежде всего, обеспечение устойчивой работы. ОУ обычно используется с цепями ООС, однако при некоторых условиях, из-за дополнительных фазовых сдвигов частотных составляющих сигнала, ООС может превратится в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку ООС очень глубокая (βK U >>1), то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, гарантирующий отсутствие возбуждения.

Ранее на рисунке 6.6 были приведены ЛАЧХ и ЛФЧХ для скорректированного ОУ, по форме эквивалентные ЛАЧХ и ЛФЧХ одиночного усилительного каскада, из которых видно, что максимальный фазовый сдвиг φ<90° при K u ОУ >1, а скорость спада коэффициента усиления в области ВЧ составляет 20дБ/дек. Такой усилитель устойчив при любой глубине ООС.

Если ОУ состоит из нескольких каскадов (например, трех), каждый из которых имеет скорость спада 20дБ/дек и не содержит цепей коррекции, то его ЛАЧХ и ЛФЧХ имеют более сложную форму (рисунок 6.15) и содержит область неустойчивых колебаний.

Рисунок 6.15. ЛАЧХ и ЛФЧХ нескорректированного ОУ

Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ используются внутренние и внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной рабочей частоте. При этом автоматически получается, что спад K u ОУ составляет порядка 20дБ/дек.

В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде , формулируемый следующим образом: "Усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в децибелах пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20дБ/дек". Таким образом, можно заключить, что цепи частотной коррекции в ОУ должны обеспечивать скорость спада K U инв (K U неинв ) на ВЧ порядка 20дБ/дек.

Цепи частотной коррекции могут быть как встроенные в полупроводниковый кристалл, так и созданными внешними элементами. Простейшая цепь частотной коррекции осуществляется с помощью подключения к выходу ОУ конденсатора C кор достаточно большого номинала. Необходимо, чтобы постоянная времени τ кор =R вых C кор была больше, чем 1/2πf в . При этом сигналы высоких частот на выходе ОУ будут шунтироваться C кор и полоса рабочих частот сузится, большей часть весьма значительно, что является существенным недостатком данного вида коррекции. Полученная в этом случае ЛАЧХ показана на рисунке 6.16.

Рисунок 6.16. Частотная коррекция внешним конденсатором

Спад K u ОУ здесь не будет превышать 20дБ/дек, а сам ОУ будет устойчив при введении ООС, поскольку φ никогда не превысит 135°.

Более совершенны корректирующие цепи интегрирующего (запаздывающая коррекция) и дифференцирующего (опережающая коррекция) типов. В общем виде коррекция интегрирующего типа проявляется аналогично действию корректирующей (нагрузочной) емкости. Корректирующая RC цепь включается между каскадами ОУ (рисунок 6.17).

Рисунок 6.17. Частотная коррекция интегрирующего типа

Резистор R 1 является входным сопротивлением каскада ОУ, а сама цепь коррекции содержит R кор и C кор. Постоянная времени этой цепи должна быть больше постоянной времени любого из каскадов ОУ. Поскольку цепь коррекции является простейшей однозвенной RC цепью, то наклон ее ЛАЧХ равен 20дБ/дек, что и гарантирует устойчивую работу усилителя. И в этом случае цепь коррекции сужает полосу рабочих частот усилителя, однако широкая полоса все равно ничего не дает, если усилитель неустойчив.

Устойчивая работа ОУ при относительно широкой полосе обеспечивается коррекцией дифференцирующего типа. Сущность такого способа коррекции ЛАЧХ и ЛФЧХ заключается в том, что ВЧ сигналы проходят внутри ОУ в обход части каскадов (или элементов), обеспечивающих максимальный K u ОУ 0 , ими не усиливаются и не задерживаются по фазе. В результате ВЧ сигналы будут усиливаться меньше, но их малый фазовый сдвиг не приведет к потере устойчивости усилителя. Для реализации коррекции дифференцирующего типа к специальным выводам ОУ подключается корректирующий конденсатор (рисунок 6.18).

Рисунок 6.18. Частотная коррекция дифференцирующего типа

Помимо рассмотренных корректирующих цепей известны и другие (см., например ). При выборе схем коррекции и номиналов их элементов следует обращаться к справочной литературе (например, ).

В неинвертирующем усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ (+), в этом основное отличие неинвертирующего усилителя на ОУ от . При этом источник сигнала «видит» бесконечное входное сопротивление ОУ. Напряжение смещения нуля равно нулю, и поэтому инвертирующий вход ОУ должен иметь тот же потенциал, что и неинвертирующий. Ток с выхода ОУ создаёт падение напряжения на резисторе R G , которое должно быть равно входному напряжению V IN .

Рис. 1. Неинвертирующий ОУ

Для расчета выходного напряжения V OUT и коэффициента усиления воспользуется правилом расчета делителя напряжения:

После преобразования получается выражение для коэффициента усиления в следующем виде:

Важно отметить, что в выражении (2) присутствуют только номиналы пассивных элементов.
Если сопротивление резистора R G выбрать намного больше, чем R F , то отношение (R F /R G) стремится к нулю, а при нулевом сопротивлении R F выражение (2) преобразуется в

В этом случае неинвертирующий усилитель превращается в буфер (повторитель сигнала) с единичным коэффициентом передачи, с бесконечным входным и нулевым выходным сопротивлениями. Резистор R G в этом случае тоже может быть исключён из схемы. На практике некоторые ОУ могут «сгореть» при включении без резистора R F . По этой причине во многих конструкциях буферов этот резистор присутствует. Его функция - защищать инвертирующий вход от бросков напряжения путём ограничения тока на безопасном уровне. Часто используемый номинал этого резистора 20 кОм. В схемах усилителей стоковой обратной связью резистор R F определяет стабильность и требуется всегда. Впрочем, не поленитесь и полистайте datasheet на операционник. Если там описано включение как на рис. 2 — смело используйте!

Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага.
(китайская пословица)

Дело было вечером, делать было нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное!.. Спаять - так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен. Выбираем схему. И вдруг оказывается, что схем для задуманного сабжа - вагон и маленькая тележка. И все разные. Опыта нет, знаний маловато. Какую выбрать? Некоторые из них содержат какие-то прямоугольнички, треугольнички. Усилители, да еще и операционные… Как они работают - непонятно. Стра-а-ашно!.. А вдруг сгорит? Выбираем, что попроще, на знакомых транзисторах! Выбрали, спаяли, включили… HELP!!! Не работает!!! Почему?

Да потому, что «Простота - хуже воровства»! Это как компьютер: самый быстрый и навороченный - игровой! А для офисной работы достаточно и самого простого. Так же и с транзисторами. Спаять на них схему мало. Надо еще уметь её настроить. Слишком много «подводных камней» и «граблей». А для этого зачастую требуется опыт отнюдь не начального уровня. Так что же, бросать увлекательное занятие? Отнюдь! Просто не надо бояться этих «треугольничков-прямоугольничков». С ними работать, оказывается, во многих случаях намного проще, чем с отдельными транзисторами. ЕСЛИ ЗНАТЬ - КАК!

Вот этим: пониманием, как работает операционный усилитель (ОУ, или по-английски OpAmp) мы сейчас и займемся. При этом будем рассматривать его работу буквально «на пальцах», практически не пользуясь никакими формулами, разве что кроме закона дедушки Ома: «Ток через участок цепи (I ) прямо пропорционален напряжению на нем (U ) и обратно пропорционален его сопротивлению (R )»:
I = U / R . (1)

Для начала, в принципе, не так уж и важно, как именно ОУ устроен внутри. Просто примем в качестве допущения, что он представляет собой «черный ящик» с какой-то там начинкой. На данном этапе не будем рассматривать и такие параметры ОУ, как «напряжение смещения», «напряжение сдвига», «температурный дрейф», «шумовые характеристики», «коэффициент подавления синфазной составляющей», «коэффициент подавления пульсаций напряжений питания», «полоса пропускания» и т.п. Все эти параметры будут важны на следующем этапе его изучения, когда в голове «улягутся» основные принципы его работы ибо «гладко было на бумаге, да забыли про овраги»…

Пока что просто допустим, что параметры ОУ близки к идеальным и рассмотрим, только то, какой сигнал будет на его выходе, если какие-то сигналы подавать на его входы.

Итак, операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

ОУ имеет огромный коэффициент усиления, как минимум, 50000…100000, а реально - намного больше. Поэтому, в первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.

Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п. Но этот вопрос уже выходит за рамки первичного ознакомления с его работой и рассматриваться здесь не будет.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (и только в приснопамятных К140УД1, да еще в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет . Это - первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ. Прошу хорошо запомнить, что оно касается только самого ОУ , а не схем с его применением!

Что же означают термины «инвертирующий» и «неинвертирующий»? По отношению к чему определяется инверсия и вообще, что это за «зверек» такой - инверсия сигнала?

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия - это зеркальное отражение (отзеркаливание ) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим - проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана ! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично - в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход - символом «минус», а неинвер­тирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход - символом инверсии - кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас - в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий - внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный - внизу).

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (Рис. 3, Б).

Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)

В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае - суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.

На первый взгляд может показаться, что ПОС имеет положительный эффект, а ООС - совершенно бесполезная затея: зачем же снижать усиление? Именно так и посчитали патентные эксперты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Однако, жертвуя усилением, мы существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.

А вот ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое неприятное - вызывает ее самовозбуждение. Она, конечно, тоже используется осознанно, например, в генераторах, компараторах с гистерезисом (подробно об этом - далее) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное и требует очень тщательного и обоснованного анализа её применения.

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):

Рис. 4 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 4, А) - сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) - сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 4, В) - сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило , которому подчиняется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю .

Вместе с тем, любая формулировка должна быть необходимой и достаточной , чтобы ограничить всё подмножество подчиняющихся ей случаев. Приведенная выше формулировка, при всей её «классичности», не дает никакой информации о том, на какой же из входов «стремится повлиять» выход. Исходя из неё, получается, что вроде бы ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на них откуда-то «изнутри».

Если внимательно рассмотреть схемы на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход, что дает нам основание переформулировать это правило следующим образом: Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе .

Исходя из этого определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а «ведомым» - инвертирующий.

При описании работы ОУ потенциал на его инвертирующем входе часто называют «виртуальным нулем» или «виртуальной средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» означает «воображаемый», «мнимый». Виртуальный объект ведет себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС) инвертирующий вход можно считать подключенным непосредственно к такому же потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Однако, «виртуальный ноль» является всего лишь частным случаем, имеющим место только при двуполярном питании ОУ. При использовании однополярного питания (о чем будет вестись речь ниже), да и во многих других схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на инвертирующем входах ноля не будет. Поэтому давайте договоримся, что этот термин мы применять не будем, поскольку он мешает начальному пониманию принципов работы ОУ.

Вот с этой точки зрения и разберем схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно которой и будем отсчитывать входные и выходные напряжения. Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается только в том, на какие из входов подается входное напряжение.

А) Инвертирующее включение (Рис. 5).

Рис. 5 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении

Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).

Согласно Правилу 2, на инвертирующем входе должно быть такой же потенциал, как и на зануленном неинвертирующем, т.е., 0 В. Следовательно, к Rвх приложено напряжение +1 В. Согласно закону Ома по нему будет протекать ток I вх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Направление протекания этого тока показано стрелкой.

Поскольку Rоос и Rвх включены делителем, а согласно Правилу 1 входы ОУ тока не потребляют, то для того, чтобы в средней точке этого делителя напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно быть приложено напряжение минус 1 В, а протекающий по нему ток I оос также должен быть равен 1 мА. Иными словами, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, протекающий по этому делителю равен 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. I вх. = I оос .

Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности. Всё то же самое, только стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в противоположную сторону.

Таким образом, при равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель . Эта схема нередко применяется, если нужно проинвертировать сигнал, полученный с помощью схем, принципиально являющихся инверторами. Например, логарифмических усилителей.

Теперь давайте, сохранив номинал Rвх, равным 1 кОм, увеличим сопротивление Rоос до 2 кОм при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление делителя Rоос+Rвх увеличилось до 3 кОм. Чтобы в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Следовательно, падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ) должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В.

Увеличим номинал Rоос до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же остальных условиях составит уже 10 В. Во-о-от! Наконец-то мы получили инвертирующий усилитель ! Его выходное напряжение больше входного (иными словами, коэффициент усиления Ку) во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх. Как я ни зарекался не применять формулы, давайте всё-таки отобразим это в виде уравнения:
Ку = – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх. (2)

Знак минус перед дробью правой части уравнения означает только то, что выходной сигнал инверсен по отношению ко входному. И ничего более!

А теперь давайте увеличим сопротивление Rоос до 20 кОм и проанализируем, что получится. Согласно формулы (2) при Ку = 20 и входном сигнале 1 В на выходе должно было бы быть напряжение 20 В. Ан не тут-то было! Мы же ранее приняли допущение, что напряжение питания нашего ОУ составляет всего ± 15 В. Но даже 15 В получить не удастся (почему так - чуть ниже). «Выше головы (напряжения питания) не прыгнешь»! В итоге такого надругательства над номиналами схемы выходное напряжение ОУ «упирается» в напряжение питания (выход ОУ входит в насыщение). Баланс равенства токов через делитель RоосRвх (I вх. = I оос ) нарушается, на инвертирующем входе появляется потенциал, отличный от потенциала на неинвертирующем входе. Правило 2 перестает действовать.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению Rвх, поскольку через него протекает весь ток от источника входного сигнала (GB).

Теперь давайте заменим постоянный Rоос на переменный, с номиналом, скажем 10 кОм (Рис. 6).

Рис. 6 Схема инвертирующего усилителя с переменным усилением

При правом (по схеме) положении его движка усиление будет составлять Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Перемещая движок Rоос влево (уменьшая его сопротивление) усиление схемы будет снижаться и, наконец, при крайнем левом его положении станет равным нулю, поскольку числитель в приведенной выше формуле станет равным нулю при любом значении знаменателя. На выходе будет ноль также при любом значении и полярности входного сигнала. Такая схема часто применяется в схемах усиления звуковых сигналов, например, в микшерах, где приходится регулировать усиление от нуля.

Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).

Рис. 7 Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении

Левый вывод Rвх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал, равный +1 В подан прямо на неинвертирующий вход. Поскольку нюансы анализа «разжеваны» выше, здесь будем уделять внимание только существенным отличиям.

На первом этапе анализа также примем сопротивления Rоос и Rвх равными друг другу и составляющими 1 кОм. Т.к. на неинвертирующем входе потенциал составляет +1 В, то по Правилу 2 такой же потенциал (+1 В) должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке). Для этого на правом выводе резистора Rоос (выходе ОУ) должно быть напряжение +2 В. Токи I вх. и I оос , равные 1 мА, текут теперь через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В.

Странно, не так ли? Номиналы те же, что и в инвертирующем включении (различие только в том, что сигнал подан на другой вход), а усиление налицо. Разберемся в этом чуть позже.

Теперь увеличиваем номинал Rоос до 2 кОм. Чтобы сохранить баланс токов I вх. = I оос и потенциал инвертирующего входа +1 В, на выходе ОУ должно быть уже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!

Если сравнить значения Ку при неинвертирующем включении с инвертирующим, при тех же номиналах Rоос и Rвх, то получается что коэффициент усиления во всех случаях больше на единицу. Выводим формулу:
Ку = Uвых / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)

Почему же так происходит? Да очень просто! ООС действует точно так же, как и при инвертирующем включении, но согласно Правилу 2, к потенциалу инвертирующего входа в неинвертирующем включении всегда прибавляется потенциал неинвертирующего входа.

Так что же, при неинвертирующем включении нельзя получить усиление, равное 1? Почему же нельзя - можно. Давайте уменьшать номинал Rоос, аналогично тому, как мы анализировали Рис. 6. При его нулевом значении - перемыкании выхода с инвертирующем входом накоротко (Рис. 8, А), согласно Правилу 2, на выходе будет такое напряжение, чтобы потенциал инвертирующего входа был равен потенциалу неинвертирующего входа, т.е., +1 В. Получаем: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а поскольку инвертирующий вход тока не потребляет и разности потенциалов между ним и выходом нет, то и никакой ток в этой цепи не протекает.

Рис. 8 Схема включения ОУ, как повторителя напряжения

Rвх становится вообще лишним, т.к. он подключается параллельно нагрузке, на которую должен работать выход ОУ и через него совершенно зря будет протекать его выходной ток. А что будет, если оставить Rоос, но убрать Rвх (Рис. 8, Б)? Тогда в формуле усиления Ку = Rоос / Rвх + 1 сопротивление Rвх теоретически становится близким к бесконечности (в реальности, конечно же, нет, т.к. существуют утечки по плате, да и входной ток ОУ хоть и пренебрежимо мал, но нулю всё-таки не равен), при чем соотношение Rоос / Rвх приравнивается к нулю. В формуле остается только единица: Ку = + 1. А усиление меньше единицы для этой схемы можно получить? Нет, меньше не получится ни при каких обстоятельствах. «Лишнюю» единицу в формуле усиления на кривой козе не объедешь…

После того, как мы убрали все «лишние» резисторы, получается схема неинвертирующего повторителя , показанная на Рис. 8, В.

На первый взгляд, такая схема не имеет практического смысла: зачем нужно единичное да еще и неинверсное «усиление» - что, нельзя просто подать сигнал дальше??? Однако, такие схемы применяются довольно часто и вот почему. Согласно Правилу 1 ток во входы ОУ не течет, т.е., входное сопротивление неинвертирующего повторителя очень большое - те самые десятки, сотни и даже тысячи МОм (это же относится и к схеме по Рис. 7)! А вот выходное сопротивление очень малое (доли Ома!). Выход ОУ «пыхтит изо всех сил», стараясь, согласно Правилу 2, поддержать на инвертирующем входе такой же потенциал, как и на неинвертирующем. Ограничением является только допустимый выходной ток ОУ.

А вот с этого места мы немного вильнем в сторону и рассмотрим вопрос выходных токов ОУ чуть подробнее.

Для большинства ОУ широкого применения в технических параметрах указано, что сопротивление нагрузки, подключенной к их выходу, не должно быть меньше 2 кОм. Больше - сколько угодно. Для намного меньшего числа оно составляет 1 кОм (К140УД…). Это значит, что при наихудших условиях: максимальном напряжении питания (например, ±16 В или суммарно 32 В), нагрузкой, подключенной между выходом и одной из шин питания и максимальном выходном напряжении противоположной полярности, к нагрузке будет приложено напряжение около 30 В. При этом ток через нее составит: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, чтобы мало, но и не особо много. К счастью, большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока - типичное значение максимального выходного тока составляет 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Если напряжения питания не максимально допустимые, то минимальное сопротивление нагрузки можно пропорционально уменьшать. Скажем, при питании 7,5…8 В (суммарно 15…16 В) оно может составлять 1 кОм.

В) Дифференциальное включение (Рис. 9).

Рис. 9 Принцип работы ОУ в дифференциальном включении

Итак, допустим, что при одинаковых номиналах Rвх и Rоос, равных 1 кОм, на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения, равные +1 В (Рис. 9, А). Поскольку потенциалы с обеих сторон резистора Rвх равны друг другу (напряжения на резисторе равно 0), ток через него не протекает. А значит, равен нулю и ток через резистор Rоос. Т.е., эти два резистора никакой функции не выполняют. По сути, мы фактически получили неинвертирующий повторитель (сравните с Рис. 8). Соответственно, на выходе получим такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе, т.е., +1 В. Поменяем полярность входного сигнала на инвертирующем входе схемы (перевернем GB1) и подадим минус 1 В (Рис. 9, Б). Теперь между выводами Rвх приложено напряжение 2 В и через него течет ток I вх = 2 мА (надеюсь, что подробно расписывать, почему так - уже не нужно?). Для того, чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать ток, равный 2 мА. А для этого на выходе ОУ должно быть напряжение +3 В.

Вот где проявился ехидный «оскал» дополнительной единички в формуле коэффициента усиления неинвертирующего усилителя. Получается, что при таком упрощенном дифференциальном включении разница в коэффициентах усиления постоянно сдвигает выходной сигнал на величину потенциала на неинвертирующем входе. Проблема-с! Однако, «Даже если вас съели - у вас всё равно остаётся как минимум два выхода». Значит, нам каким-то образом надо уравнять коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего включений, чтобы «нейтрализовать» эту лишнюю единичку.

Для этого подадим входной сигнал на неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Примем их номиналы также по 1 кОм. Теперь на неинвертирующем (а значит, и на инвертирующем тоже) входе ОУ будет потенциал +0,5 В, через него (и Rоос) будет протекать ток I вх = I оос = 0,5 мА, для обеспечения которого на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0 В. Фу-у-ух! Мы добились, чего хотели! При равных по величине и полярности сигналах на обеих входах схемы (в данном случае +1 В, но то же самое будет справедливо и для минус 1 В и для любых иных цифровых значений), на выходе ОУ будет сохраняться нулевое напряжение, равное разнице входных сигналов.

Проверим это рассуждение, подав на инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности минус 1 В (Рис. 9, Г). При этом I вх = I оос = 2 мА, для чего на выходе должно быть +2 В. Всё подтвердилось! Уровень выходного сигнала соответствует разнице между входными.

Конечно, при равенстве Rвх1 и Rоос (соответственно, Rвх2 и R1) усиления мы не получим. Для этого нужно увеличить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение:

Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2. (4)

Что же полезного мы получаем от такого включения практически? А получаем мы замечательное свойство: выходное напряжение не зависит от абсолютных значений входных сигналов, если они равны друг другу по величине и полярности. На выход поступает только разностный (дифференциальный) сигнал. Это позволяет усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково действующей на оба входа. Например, сигнал с динамического микрофона на фоне наводки сети промышленной частоты 50 Гц.

Однако, в этой бочке меда, к сожалению, присутствует ложка дегтя. Во-первых, равенство (4) должно соблюдаться очень строго (вплоть до десятых а иногда и сотых процента!). Иначе возникнет разбаланс токов, действующих в схеме, а следовательно, кроме разностных («противофазных») сигналов будут усиливаться и сочетанные («синфазные») сигналы.

Давайте, разберемся с сущностью этих терминов (Рис. 10).

Рис. 10 Сдвиг фазы сигнала

Фаза сигнала - это величина, характеризующая смещение начала отсчета периода сигнала относительно начала отсчета времени. Поскольку и начало отсчета времени, и начало отсчета периода выбираются произвольно, фаза одного периодического сигнала физическим смыслом не обладает. Однако разность фаз двух периодических сигналов - это величина, имеющая физический смысл, она отражает запаздывание одного из сигналов относительно другого. Что считать началом периода, не имеет никакого значения. За точку начала периода можно взять нулевое значение с положительным наклоном. Можно - максимум. Всё в нашей власти.

На Рис. 9 красным обозначен исходный сигнал, зеленым - сдвинутый на ¼ периода относительно исходного и синим - на ½ периода. Если сравнить красную и синюю кривые с кривыми на Рис. 2, Б, то можно заметить, что они взаимно инверсны . Т.о., «синфазные сигналы» - это сигналы, совпадающие друг с другом в каждой своей точке, а «противофазные сигналы» - инверсные друг относительно друга.

В то же время, понятие инверсии более широкое, чем понятие фазы , т.к. последнее применимо только к регулярно повторяющимся, периодическим сигналам. А понятие инверсии применимо к любым сигналам, в том числе и непериодическим, как, например, звуковой сигнал, цифровая последовательность, либо постоянное напряжение. Чтобы фаза была состоятельной величиной, сигнал должен быть периодическим хотя бы на некотором интервале. В противном случае, и фаза и период превращаются в математические абстракции.

Во-вторых, инвертирующий и неинвертирующий входы в дифференциальном включении при равенстве номиналов Rоос = R1 и Rвх1 = Rвх2 будут иметь различные входные сопротивления. Если входное сопротивление инвертирующего входа определяется только номиналом Rвх1, то неинвертирующего - номиналами последовательно включенных Rвх2 и R1 (ещё не забыли, что входы ОУ тока не потребляют?). В приведенном выше примере они будут составлять, соответственно, 1 и 2 кОм. А если мы увеличим Rоос и R1 для получения полноценного усилительного каскада, то разница возрастет еще существеннее: при Ку = 10 - до, соответственно, всё того же 1 кОм и целых 11 кОм!

К сожалению, на практике обычно ставят номиналы Rвх1 = Rвх2 и Rоос = R1. Однако, это приемлемо, только если источники сигнала для обоих входов имеют очень низкое выходное сопротивление . Иначе оно образует делитель с входным сопротивлением данного усилительного каскада, а поскольку коэффициент деления таких «делителей» будет разным, то и результат очевиден: дифференциальный усилитель с такими номиналами резисторов не будет выполнять своей функции подавления синфазных (сочетанных) сигналов, либо выполнять эту функцию плохо.

Одним из путей решения данной проблемы может быть неравенство номиналов резисторов, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. А именно, чтобы Rвх2 + R1 = Rвх1. Ещё одним важным моментом является достижение точного соблюдения равенства (4). Как правило, этого добиваются путем разбиения R1 на два резистора - постоянный, обычно составляющий 90% от нужного номинала и переменный (R2), сопротивление которого составляет 20% от нужного номинала (Рис. 11, А).

Рис. 11 Варианты балансировки дифференциального усилителя

Путь общепринятый, но опять же, при таком способе балансировки пусть и немного, но изменяется входное сопротивление неинвертирующего входа. Намного стабильнее вариант с включением подстроечного резистора (R5) последовательно с Rоос (Рис. 11, Б), поскольку Rоос в формировании входного сопротивления инвертирующего входа участия не принимает. Главное - сохранить соотношения их номиналов, аналогично варианту «А» (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).

Коль скоро мы повели речь о дифференциальном включении и упомянули повторители, хотелось бы описать одну интересную схемку (Рис. 12).

Рис. 12 Схема переключаемого инвертирующего/неинвертирующего повторителя

Входной сигнал подается одновременно на оба входа схемы (инвертирующий и неинвертирующий). Номиналы всех резисторов (Rвх1, Rвх2 и Rоос) равны друг другу (в данном случае возьмем их реальные значения: 10…100 кОм). Неинвертирующий вход ОУ ключом SA может замыкаться на общую шину.

В замкнутом положении ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 в работе схемы не участвует (через него только «бесполезно» течет ток I вх2 от источника сигнала на общую шину). Получаем инвертирующий повторитель с усилением равным минус 1 (см. Рис. 6). А вот при разомкнутом положении ключа SA (Рис. 12, Б) получаем неинвертирующий повторитель с усилением равным +1.

Принцип работы этой схемы можно выразить и несколько по-другому. При замкнутом ключе SA она работает как инвертирующий усилитель с усилением, равным минус 1, а при разомкнутом - одновременно (!) и как инвертирующий усилитель с усилением, минус 1, и как неинвертирующий усилитель с усилением +2, откуда: Ку = +2 + (–1) = +1.

В таком виде эту схему можно использовать, если, например, на этапе проектирования неизвестна полярность входного сигнала (скажем, от датчика, к которому нет доступа до начала наладки устройства). Если же в качестве ключа использовать транзистор (например, полевой), управляемый от входного сигнала с помощью компаратора (о нем речь будет вестись ниже), то получим синхронный детектор (синхронный выпрямитель). Конкретная реализация такой схемы, конечно же, выходит за рамки начального ознакомления с работой ОУ и мы её здесь опять же подробно рассматривать не будем.

А теперь давайте рассмотрим принцип суммирования входных сигналов (Рис. 13, А), а заодно разберемся, какие же номиналы резисторов Rвх и Rоос должны быть в реальности.

Рис. 13 Принцип работы инвертирующего сумматора

Берем за основу уже рассмотренный выше инвертирующий усилитель (Рис. 5), только ко входу ОУ подключаем не один, а два входных резистора Rвх1 и Rвх2. Пока что, в «учебных» целях, принимаем сопротивления всех резисторов, включая Rоос, равными 1 кОм. На левые выводы Rвх1 и Rвх2 подаем входные сигналы, равные +1 В. Через эти резисторы протекают токи, равные 1 мА (показаны стрелками, направленными слева направо). Для поддержания на инвертирующем входе такого же потенциала, как и на неинвертирующем (0 В), через резистор Rоос должен протекать ток, равный сумме входных токов (1 мА +1 мА = 2 мА), показанный стрелкой, направленной в противоположном направлении (справа налево), для чего на выходе ОУ должно быть напряжение минус 2 В.

Тот же самый результат (выходное напряжение минус 2 В) можно получить, если на вход инвертирующего усилителя (Рис. 5) подать напряжение +2 В, либо номинал Rвх уменьшить вдвое, т.е. до 500 Ом. Увеличим напряжение, приложенное к резистору Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На выходе получим напряжение минус 3 В, что равно сумме входных напряжений.

Входов может быть не два, а сколь угодно много. Принцип работы данной схемы от этого не изменится: выходное напряжение в любом случае будет прямо пропорционально алгебраической сумме (с учетом знака!) токов, проходящих через резисторы, подключенные к инвертирующему входу ОУ (обратно пропорционально их номиналам), независимо от их количества.

Если же, на входы инвертирующего сумматора подать сигналы, равные +1 В и минус 1 В (Рис. 13, В), то протекающие через них токи будут разнонаправлены, они взаимно скомпенсируются и на выходе будет 0 В. Через резистор Rоос в таком случае ток протекать не будет. Иными словами, ток, протекающий по Rоос, алгебраически суммируется со входными токами.

Отсюда также проистекает важный момент: пока мы оперировали небольшими входными напряжениями (1…3 В), выход ОУ широкого применения вполне мог обеспечить такой ток (1…3 мА) для Rоос и что-то ещё оставалось для нагрузки, подключенной к выходу ОУ. Но если напряжения входных сигналов увеличить до максимально допустимых (близких к напряжениям питания), то получается, что весь выходной ток уйдет в Rоос. Для нагрузки ничего не останется. А кому нужен усилительный каскад, который работает «сам на себя»? Кроме того, номиналы входных резисторов, равные всего 1 кОм (соответственно, определяющие входное сопротивление инвертирующего усилительного каскада), требуют протекания по ним чрезмерно больших токов, сильно нагружающих источник сигнала. Поэтому в реальных схемах сопротивление Rвх выбирается не менее 10 кОм, но и желательно не более 100 кОм, чтобы при заданном коэффициенте усиления не ставить Rоос слишком большого номинала. Хотя эти величины и не являются абсолютными, а только прикидочными, как говорится, «в первом приближении» - всё зависит от конкретной схемы. В любом случае нежелательно, чтобы через Rоос протекал ток, превышающий 5…10% максимального выходного тока данного конкретного ОУ.

Суммируемые сигналы можно подавать и на неинвертирующий вход. Получается неинвертирующий сумматор . Принципиально такая схема будет работать точно так же, как и инвертирующий сумматор, на выходе которого будет сигнал, прямо пропорциональный входным напряжениям и обратно пропорциональный номиналам входных резисторов. Однако практически она используется намного реже, т.к. содержит «грабли», которые следует учитывать.

Поскольку Правило 2 действует только для инвертирующего входа, на котором действует «виртуальный потенциал нуля», то на неинвертирующем будет потенциал, равный алгебраической сумме входных напряжений. Следовательно, входное напряжение, имеющееся на одном из входов, будет влиять на напряжение, поступающее на другие входы. «Виртуального потенциала» ведь на неинвертирующем входе нет! В итоге приходится применять дополнительные схемотехнические ухищрения.

До сих пор мы рассматривали схемы на ОУ с ООС. А что будет, если обратную связь убрать вообще? В таком случае мы получаем компаратор (Рис. 14), т.е., устройство, сравнивающее по абсолютному значению два потенциала на своих входах (от английского слова compare - сравнивать). На его выходе будет напряжение, приближающееся к одному из напряжений питания в зависимости от того, какой из сигналов больше другого. Обычно входной сигнал подается на один из входов, а на другой - постоянное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное напряжение»). Оно может быть любым, в том числе и равным нулевому потенциалу (Рис. 14, Б).

Рис. 14 Схема включения ОУ как компаратора

Однако, не всё так хорошо «в королевстве Датском»… А что произойдет, если напряжение между входами будет равно нулю? По идее, на выходе тоже должен быть ноль, но в реальности - никогда . Если потенциал на одном из входов хоть на чуть-чуть перевесит потенциал другого, то уже этого будет достаточно, чтобы на выходе возникли хаотические скачки напряжения из-за случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

В реальности любой сигнал является «зашумленным», т.к. идеала не может быть по определению. И в области, близкой к точке равенства потенциалов входов, на выходе компаратора появится пачка выходных сигналов вместо одного четкого переключения. Для борьбы с этим явлением в схему компаратора часто вводят гистерезис путем создания слабой положительной ПОС с выхода на неинвертирующий вход (Рис. 15).

Рис. 15 Принцип действия гистерезиса в компараторе за счет ПОС

Проанализируем работу этой схемы. Напряжения её питания составляют ±10 В (для ровного счета). Сопротивление Rвх равно 1 кОм, а Rпос - 10 кОм. В качестве опорного напряжения, поступающего на инвертирующий вход, выбран потенциал средней точки. Красной кривой показан входной сигнал, поступающий на левый вывод Rвх (вход схемы компаратора), синей - потенциал на неинвертирующем входе ОУ и зеленой - выходной сигнал.

Пока входной сигнал имеет отрицательную полярность, на выходе - отрицательное напряжение, которое через Rпос суммируется с входным напряжением обратно пропорционально номиналам соответствующих резисторов. В результате потенциал неинвертирующего входа во всем диапазоне отрицательных значений на 1 В (по абсолютному значению) превышает уровень входного сигнала. Как только потенциал неинвертирующего входа уравняется с потенциалом инвертирующего (для входного сигнала это будет составлять + 1 В), напряжение на выходе ОУ начнет переключаться с отрицательной полярности в положительную. Суммарный потенциал на неинвертирующем входе начнет лавинообразно становиться ещё более положительным, поддерживая процесс такого переключения. В итоге незначительные шумовые колебания входного и опорного сигналов компаратор просто «не заметит», поскольку они будут на много порядков меньшими по амплитуде, чем описанная «ступенька» потенциала на неинвертирующем входе при переключении.

При снижении входного сигнала обратное переключение выходного сигнала компаратора произойдет при входном напряжении минус 1 В. Вот эта разница между уровнями входного сигнала, ведущими к переключению выхода компаратора, равная в нашем случае суммарно 2 В, и называется гистерезисом . Чем больше сопротивление Rпос по отношению к Rвх (меньше глубина ПОС), тем меньший гистерезис переключения. Так, при Rпос = 100 кОм он будет составлять всего 0,2 В, а при Rпос = 1 Мом - 0,02 В (20 мВ). Выбирается гистерезис (глубина ПОС), исходя из реальных условий функционирования компаратора в конкретной схеме. В какой и 10 мВ будет много, а в какой - и 2 В мало.

К сожалению, не каждый ОУ и не во всех случаях можно использовать в качестве компаратора . Выпускаются специализированные микросхемы компараторов, предназначенные для согласования между аналоговыми и цифровыми сигналами. Часть из них специализирована для подключения к цифровым ТТЛ-микросхемам (597СА2), часть - цифровым ЭСЛ-микросхемам (597СА1), однако большинство является т.н. «компараторами широкого применения» (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Их основное отличие от ОУ заключается в особом устройстве выходного каскада, который выполнен на транзисторе с открытым коллектором (Рис. 16).

Рис. 16 Выходной каскад компараторов широкого применения
и его подключение к нагрузочному резистору

Это требует обязательного применения внешнего нагрузочного резистора (R1), без которого выходной сигнал просто физически не способен сформировать высокий (положительный) выходной уровень. Напряжение +U2, к которому подключается нагрузочный резистор, может быть иным, чем напряжение питания +U1 самой микросхемы компаратора. Это позволяет простыми средствами обеспечить выходной сигнал нужного уровня - будь он ТТЛ или КМОП.

До сих пор мы рассматривали схемы, в которых входной сигнал поступал на вход(ы) через Rвх, т.е. все они являлись преобразователями входного напряжения в выходное напряжение же. При этом входной ток протекал через Rвх. А что будет, если его сопротивление принять равным нулю? Работать схема будет точно так же, как и рассмотренный выше инвертирующий усилитель, только в качестве Rвх будет служить выходное сопротивление источника сигнала (Rвых), а мы получим преобразователь входного тока в выходное напряжение (Рис. 17).

Рис. 17 Схема преобразователя тока в напряжение на ОУ

Поскольку на инвертирующем входе потенциал такой же, как и на неинвертирующем (в данном случае равен «виртуальному нулю»), весь входной ток (I вх ) будет протекать через Rоос между выходом источника сигнала (G) и выходом ОУ. Входное сопротивление такой схемы близко к нулевому, что позволяет строить на ее основе микро/миллиамперметры, практически не влияющие на ток, протекающий по измеряемой цепи. Пожалуй, единственным ограничением является допустимый диапазон входных напряжений ОУ, который не следует превышать. С её помощью можно построить также, например, линейный преобразователь тока фотодиода в напряжение и множество других схем.

Мы рассмотрели основные принципы функционирования ОУ в различных схемах его включения. Остался один важный вопрос: их питание .

Как было сказано выше, ОУ типично имеет всего 5 выводов: два входа, выход и два вывода питания, положительного и отрицательного. В общем случае используется двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами: +U; 0; –U.

Еще раз внимательно рассмотрим все приведенные выше рисунки и увидим, что отдельного вывода средней точки в ОУ НЕТ ! Для работы их внутренней схемы она просто не нужна. На некоторых схемах со средней точкой соединялся неинвертирующий вход, однако, это не является правилом.

Следовательно, подавляющее большинство современных ОУ предназначены для питания ОДНОПОЛЯРНЫМ напряжением! Возникает закономерный вопрос: «А зачем же тогда нужно двуполярное питание», если мы так упорно и с завидным постоянством изображали его на рисунках?

Оказывается, оно просто очень удобно для практических целей по следующим причинам:

А) Для обеспечения достаточного тока и размаха выходного напряжения через нагрузку (Рис. 18).

Рис. 18 Протекание выходного тока через нагрузку при различных вариантах питании ОУ

Пока что не будем рассматривать входные (и ООС) цепи схем, изображенных на рисунке («чёрный ящик»). Примем, как данность, что на вход подается какой-то входной синусоидальный сигнал (черная синусоида на графиках) и на выходе получается такой же синусоидальный сигнал, усиленный по отношению ко входному цветная синусоида на графиках).

При подключении нагрузки Rнагр. между выходом ОУ и средней точки соединения источников питания (GB1 и GB2) - Рис. 18, А, ток через нагрузку протекает симметрично относительно средней точки (соответственно, красная и синяя полуволны), а его амплитуда максимальна и амплитуда напряжения на Rнагр. также максимально возможна - она может достигать почти напряжений питания. Ток от источника питания соответствующей полярности замыкается через ОУ, Rнагр. и источник питания (красная и синяя линии, показывающие протекание тока в соответствующем направлении).

Поскольку внутреннее сопротивление источников питания ОУ весьма мало, ток, проходящий через нагрузку, ограничен только её сопротивлением и максимальным выходным током ОУ, которое типично составляет 25 мА.

При питании ОУ однополярным напряжением в качестве общей шины выбирается обычно отрицательный (минусовый) полюс источника питания, к которому и подключается второй вывод нагрузки (Рис. 18, Б). Теперь ток через нагрузку может протекать только в одном направлении (показано красной линией), второму направлению просто неоткуда взяться. Иными словами, ток через нагрузку становится асимметричным (пульсирующим).

Однозначно утверждать, что такой вариант плох, нельзя. Если нагрузкой является, скажем, динамическая головка, то для неё это плохо однозначно. Однако, существует множество применений, когда подключение нагрузки между выходом ОУ и одной из шин питания (как правило, отрицательной полярности), не только допустимо, но и единственно возможно.

Если же всё-таки нужно обеспечить симметрию протекания тока через нагрузку при однополярном питании, то приходится гальванически развязывать её от выхода ОУ гальванически конденсатором С1 (Рис. 18, В).

Б) Для обеспечения нужного тока инвертирующего входа, а также привязки входных сигналов к какому-то произвольно выбранному уровню, принимаемому за опорный (нулевой) - задания режима работы ОУ по постоянному току (Рис. 19).

Рис. 19 Подключение источника входного сигнала при различных вариантах питания ОУ

Теперь рассмотрим варианты подключения источников входных сигналов, исключив из рассмотрения подключение нагрузки.

Подключение инвертирующего и неинвертирующего входов к средней точке соединения источников питания (Рис. 19, А) было рассмотрено при анализе приведенных ранее схем. Если неинвертирующий вход тока не потребляет и просто принимает потенциал средней точки, то через источник сигнала (G) и Rвх, включенные последовательно, ток-то протекает, замыкаясь через соответствующий источник питания! А поскольку их внутренние сопротивления пренебрежимо малы по сравнению со входным током (на много порядков меньше, чем Rвх), то и влияния на напряжения питания он практически не оказывает.

Таким образом, при однополярном питании ОУ, можно совершенно спокойно сформировать потенциал, подаваемый на его неинвертирующий вход, с помощью делителя R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типичные номиналы резисторов этого делителя составляют 10…100 кОм, причем нижний (подключенный к общей минусовой шине) крайне желательно зашунтировать конденсатором на 10…22 мкф, чтобы существенно снизить влияние пульсаций напряжения питания на потенциал такой искусственной средней точки .

А вот источник сигнала (G) к этой искусственной средней точке подключать крайне нежелательно всё из-за того же входного тока. Давайте прикинем. Даже при номиналах делителя R1R2 = 10 кОм и Rвх = 10…100 кОм, входной ток I вх составит в лучшем случае 1/10, а в худшем - до 100% тока, проходящего через делитель. Следовательно, на столько же будет «плавать» потенциал на неинвертирующем входе в сочетании (синфазно) с входным сигналом.

Чтобы устранить взаимовлияние входов друг на друга при усилении сигналов постоянного тока при таком включении, для источника сигнала следует организовать отдельный потенциал искусственной средней точки, формируемый резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), либо, если усиливается сигнал переменного тока, гальванически развязать источник сигнала от инвертирующего входа конденсатором С2 (Рис. 19, В).

Следует отметить, что в приведенных выше схемах (Рис. 18, 19) мы по умолчанию приняли допущение, что выходной сигнал должен быть симметричным относительно либо средней точки источников питания, либо искусственной средней точки. В реальности это нужно не всегда. Довольно часто нужно, чтобы выходной сигнал имел преимущественно либо положительную, либо отрицательную полярность. Поэтому совершенно не обязательно, чтобы положительная и отрицательная полярности источника питания были равны по абсолютному значению. Одно из них может быть значительно меньше по абсолютному значению, чем другое - только таким, чтобы обеспечить нормальное функционирование ОУ.

Возникает закономерный вопрос: «А каким именно»? Чтобы ответить на него, коротко рассмотрим допустимые диапазоны напряжений входных и выходного сигналов ОУ.

У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Иными словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающих напряжений. Например, для ОУ OPA277 выходное напряжение при сопротивлении нагрузки 10 кОм меньше напряжения положительной шины питания на 2 В и отрицательной шины питания - на 0,5 В. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых не может достичь выход ОУ, зависит от ряда факторов, таких, как схемотехника выходного каскада, сопротивление нагрузки и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до напряжения шин питания при нагрузке 10 кОм (для OPA340), эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (R2R).

С другой стороны, для ОУ широкого применения входные сигналы также не должны превышать напряжения питания, а для некоторых - быть меньше их на 1,5…2 В. Однако, существуют ОУ со специфической схемотехникой входного каскада (например, те же LM358/LM324), которые могут работать не только от уровня отрицательного питания, но даже «минусовее» его на 0,3 В, что существенно облегчает их использование при однополярном питании с общей отрицательной шиной.

Давайте, наконец, рассмотрим и пощупаем этих «жучков-паучков». Можно даже обнюхать и облизать. Разрешаю. Рассмотрим их наиболее частые варианты, доступные начинающим радиолюбителям. Тем более, если приходится выпаивать ОУ из старой аппаратуры.

Для ОУ старых разработок, в обязательном порядке требующих внешних цепей для частотной коррекции, чтобы предотвратить самовозбуждение, было характерно наличие дополнительных выводов. Некоторые ОУ из-за этого даже не «влезали» в 8-выводный корпус (рис. 20, А) и изготавливались в 12-выводных круглых металло-стеклянных, например, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) или в 14-выводных DIP-корпусах, например, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Аббревиатура DIP является сокращением английского выражения «Dual In line Package» и переводится как «корпус с двусторонним расположением выводов».

Круглый металло-стеклянный корпус (Рис. 20, А, Б) применялся, как основной, для импортных ОУ примерно до середины 70-х годов, а для отечественных ОУ - до середины 80-х и применяется сейчас для т.н. «военных» применений («5-я приемка»).

Иногда отечественные ОУ размещались в довольно «экзотических» в настоящее время корпусах: 15-выводный прямоугольный метало-стеклянный для гибридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в котором ключом является дополнительный 15-й вывод от корпуса, и других. Правда, планарные 14-выводные корпуса (Рис. 20, Д) для размещения в них ОУ мне лично не встречались. Они применялись для цифровых микросхем.

Рис. 20 Корпуса отечественных операционных усилителей

Современные же ОУ в большинстве своем содержат корректирующие цепи прямо на кристалле, что позволило обходиться минимальным количе­ством выводов (как пример - 5-выводный SOT23-5 для одиночного ОУ - Рис. 23). Это позволило в одном корпусе размещать по два-четыре полностью независимых (кроме общих выводов питания) ОУ, изготовленных на одном кристалле.

Рис. 21 Двухрядные пластиковые корпуса современных ОУ для выводного монтажа (DIP)

Иногда можно встретить ОУ, размещенные в однорядных 8-выводных (Рис. 22) либо 9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1. Аббревиатура SIP является сокращением английского выражения «Single In line Package» и переводится как «корпус с односторонним расположением выводов».

Рис. 22 Однорядный пластиковый корпус сдвоенных ОУ для выводного монтажа (SIP-8)

Они были разработаны для минимизации места, занимаемого на плате, но, к сожалению, «опоздали»: к этому времени широкое распространение заняли корпуса для поверхностного монтажа (SMD - Surface Mounting Device) путем подпайки прямо к дорожкам платы (Рис. 23). Однако, для начинающих их использование представляет существенные сложности.

Рис. 23 Корпуса современных импортных ОУ для поверхностного монтажа (SMD)

Очень часто одна и та же микросхема может «упаковываться» производителем в различные корпуса (Рис. 24).

Рис. 24 Варианты размещения одной и той же микросхемы в разных корпусах

Выводы всех микросхем имеют последовательную нумерацию, отсчитываемую от т.н. «ключа», указывающего на расположение вывода под номером 1. (Рис. 25). В любом случае, если расположить корпус выводами от себя , их нумерация по возрастающей идет против часовой стрелки !

Рис. 25 Расположение выводов операционных усилителей
в различных корпусах (цоколевка), вид сверху;
направление нумерации показано стрелками

В круглых металло-стеклянных корпусах ключ имеет вид бокового выступа (Рис. 25, А, Б). Вот с расположения этого ключа возможны огроменных размеров «грабли»! В отечественных 8-выводных корпусах (302.8) ключ располагается напротив первого вывода (Рис. 25, А), а в импортных ТО-5 - напротив восьмого вывода (Рис. 25, Б). В 12-выводных корпусах, как отечественных (302.12), так и импортных, ключ расположен между первым и 12-м выводами.

Обычно инвертирующий вход как в круглых металло-стеклянных, так и в DIP-корпусах, соединен со 2-м выводом, неинвертирующий - с 3-м, выход - с 6-м, минус питания - с 4-м и плюс питания - с 7-м. Однако, есть и исключения (ещё одни возможные «грабли»!) в цоколевке ОУ К140УД8, К574УД1. В них нумерация выводов сдвинута на один против часовой стрелки по сравнению с общепринятой для большинства других типов, т.е. с выводами они соединены, как в импортных корпусах (Рис. 25, Б), а нумерация соответствует отечественным (Рис. 25, А).

В последние годы большинство ОУ «бытового назначения» стали размещать в пластмассовых корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). В этих корпусах ключом является либо углубление (точка) напротив первого вывода, либо вырез в торце корпуса между первым и 8-м (DIP-8) или 14-м (DIP-14) выводами, либо фаска вдоль первой половины выводов (Рис. 21, посередине). Нумерация выводов в этих корпусах также идет против часовой стрелки при виде сверху (выводами от себя).

Как было сказано выше, ОУ с внутренней коррекцией имеют всего пять выводов, из которых только три (два входа и выход) принадлежат каждому отдельному ОУ. Это позволило в одном 8-выводном корпусе разместить на одном кристалле по два полностью независимых (за исключением плюса и минуса питания, требующих еще двух выводов) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-выводном корпусе - даже четыре (Рис. 25, Д). В итоге в настоящее время большинство ОУ выпускаются как минимум сдвоенными, например, TL062, TL072, TL082, дешевые и простые LM358 и др. Точно такие же по внутренней структуре, но счетверенные - соответственно, TL064, TL074, TL084 и LM324.

В отношении отечественного аналога LM324 (К1401УД2) существуют еще одни «грабли»: если в LM324 плюс питания выведен на 4-й вывод, а минус - на 11-й, то в К1401УД2 наоборот: плюс питания выведен на 11-й вывод, а минус - на 4-й. Однако, никаких сложностей с разводкой это отличие не вызывает. Поскольку цоколевка выводов ОУ полностью симметрична (Рис. 25, Д), нужно просто перевернуть корпус на 180 градусов, чтобы 1-й вывод занял место 8-го. Да и всё.

Пара слов относительно маркировки импортных ОУ (да и не только ОУ). Для ряда разработок первых 300 цифровых обозначений было принято обозначать группу качества первой цифрой цифрового кода. Например, ОУ LM158/LM258/LM358, компараторы LM193/LM293/LM393, регулируемые трехвыводные стабилизаторы TL117/TL217/TL317 и пр. совершенно идентичны по внутренней структуре, но различаются по температурному рабочему диапазону. Для LM158 (TL117) диапазон рабочих температур составляет от минус 55 до +125…150 градусов по Цельсию (т.н. «боевой» или военный диапазон), для LM258 (TL217) - от минус 40 до +85 градусов («промышленный» диапазон) и для LM358 (TL317) - от 0 до +70 градусов («бытовой» диапазон). При этом цена на них может быть совершенно не соответствующей такой градации, либо отличаться очень незначительно (неисповедимы пути ценообразования !). Так что покупать их можно с любой маркировкой, доступной «для кармана» начинающего, особо не гоняясь за первой «тройкой».

После исчерпания первых трех сотен цифровой маркировки группы надежности стали отмечать буквами, значение которых расшифровываются в даташитах (Datasheet дословно переводится как «таблица данных») на данные компоненты.

Заключение

Вот мы и изучили «азбуку» работы ОУ, немного захватив и компараторы. Дальше надо учиться складывать из этих «букв» слова, предложения и целые осмысленные «сочинения» (работоспособные схемы).

К сожалению, «Невозможно объять необъятное». Если изложенный в данной статье материал помог понять, как работают эти «черные ящики», то дальнейшее углубление в разбор их «начинки», влияния входных, выходных и переходных характеристик, является задачей более продвинутого изучения. Информация об этом подробно и досконально изложена во множестве существующей литературы. Как говаривал дедушка Вильям Оккам: «Не следует умножать сущности сверх необходимого». Незачем повторять уже хорошо описанное. Нужно только не лениться и прочитать её.

Засим позвольте откланяться, с уважением и проч., автор Алексей Соколюк ()