принципиальная схема логарифмического усилителя на оу

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 примененияP выполнением различных операций над аналоговыми сигналамиP(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 (KиPОУ=∞), 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. PНа рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУP 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 PДанная схема содержит входной ДУ (VT1Pи VT2) с токовым зеркалом (VT3Pи VT4), промежуточные каскады с ОК (VT5) и с ОЭ (VT6), и выходной токовый бустер на транзисторах VT7Pи VT8. ОУ может содержать цепи частотной коррекции (Cкор), цепи питания и термостабилизации (VD1, VD2Pи 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 KuPОУ, называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается KuPОУ0Pи 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: ◆Pнапряжение смещения нуля Uсм; ◆Pтемпературная чувствительность напряжения смещения нуляPdUсм/dT; ◆Pток смещения ΔIвх; ◆Pсредний входной ток IвхPср. Входные и выходные цепи ОУ представляются входным RвхОУPи выходным RвыхОУPсопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток IвыхОУPи минимальное сопротивление нагрузки RнPmin, 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=20lgg(ΔE/ΔUвх). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60 120)дБ. К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания aE, ток потребленияP(покоя) IПPи потребляемая мощность. Как правило, IПPсоставляет десятые долиP десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая IП, единицыP десятки милливатт. К максимально допустимым параметрам ОУ относятся: ◆Pмаксимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала UвыхPmaxP(обычно чуть меньше Е); ◆Pмаксимально допустимая мощность рассеивания; ◆Pрабочий диапазон температур; ◆Pмаксимальное напряжение питания; ◆Pмаксимальное входное дифференциальное напряжение и др. К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления fTP(F1), т.е. частота, на которой KuPОУ=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 Uвых=f(Uвх)Pдля инвертирующего и неинвертирующего входов. Когда на обоих входах ОУ Uвх=0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки Uош, определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 UошPне показано ввиду его малости). Рисунок 6.5. АХ ОУ Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, KuPОУ=φ(lgPf). 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 KuPОУPможно представить в виде: Здесь τвPпостоянная времени ОУ, которая при Mв=3PдБPопределяет частоту сопряжения (среза) ОУ (см. рисунок 6.6); ωв = 1/τв = 2πfв. Заменив в выражении для KuPОУPτвPна 1/ωв, получим запись ЛАЧХ: На НЧ и СЧ KuPОУ=20lgKuPОУ0, т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот. С некоторым приближением можем считать, что в области ВЧ спад KuPОУPпроисходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тогда при ω>>ωвPможно упростить выражение для ЛАЧХ: KuPОУ P= 20lgKuPОУ0 20lg(ω/ωв). 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 ωвP(fв). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте fв 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. Для скорректированного ОУ можно рассчитать KuPОУPна любой частоте f как KuPОУ=fT/f, а KuPОУ0=fT/fв. 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 fв, а на частоте fTP 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 R1Pпредставляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала Eг, посредством RосPОУ охвачен ∥ООСН. При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R2, то потенциал в точкеPa тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: Iг=Iос, т.е. Eг/R1= Uвых/Rос. Отсюда получаем: KUPинвP= Uвых/Eг = Rос/R1, т.е. при идеальном ОУ KUPинвPопределяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ. Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток Iвх, т.е. Iг=Iос+IвхPили (Eг Uвх)/R1=(Uвх Uвых)/Rос+Uвх/UвхОУ, где UвхP напряжениеPсигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a. Тогда для реального ОУ получаем: Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. KuPОУ/KUPинв=F>10, погрешность расчета KUPинвPдля 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 RосPпревысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного RосP(рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать: На практике часто полагают, что Rос1=Rос2>>Rос3, а величина R1Pобычно задана, поэтому Rос3Pопределяется достаточно просто. Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ RвхPинвPимеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС: RвхPинвP= R1 +(Rос/KuPОУ + 1)∥RвхОУ ≈ R1, т.е. при больших KuPОУPвходное сопротивление определяется величиной R1. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя RвыхPинв в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной RвыхPОУ, так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать: RвыхPинвP= RвыхPОУ/F = RвыхPОУ/KUPинв/KuPОУ. С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем fвОС = fT/KUPинв. В пределе можно получить KUPинв=1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ: RвыхPповP= RвыхPОУ/KuPОУ. В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при Uвх=0Pвсегда будет присутствовать напряжени

6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ / Схемотехника аналоговых электронных устройств