Основи на електрониката и микроелектрониката
Раздел 4. Основи на електронните схеми
Тема 4.8.Операционни усилватели
4.8.Операционни усилватели
4.8.1 Предназначение, структура, символи на операционните усилватели
Операционният усилвател (op-amp) е висококачествен линеен усилвател на напрежение, който има голямо усилване (повече от 10 000), високо входно (стотици MΩ) и ниско изходно (един ом) съпротивление.
Независимо от сложността на електрическата схема, почти всички операционни усилватели имат блокова схема, показана на фигура 4.81. Операционните усилватели, изградени по тази блокова схема, имат два входа и един изход. По отношение на изхода, единият от входовете е инвертиращ, другият е неинвертиращ. Наличието на инвертиращи и неинвертиращи входове в UO значително улеснява въвеждането на различни операционни системи в него и с тяхна помощ изпълнението на различни функции.
Отклоненията от тази структурна схема са от безпринципен характер. Например, може да има три етапа на повишаване на напрежението, изходна верига за защита от късо съединение и верига за защита от пренапрежение на входния етап.
Фигура 4.81 - Структурна схема на ОС
Етапи на усилванеслужат за осигуряване на определеното усилване.Каскадата за изместване на нивото на напрежениетое проектирана да елиминира постоянния компонент на напрежението, който се появява в операционния усилвател с директна връзка между каскадите. Благодарение на този етап се задава нулево напрежение на изхода на оп-усилвателя при липса на сигнали на неговите входове.
Изходното (терминално) стъпалосе използва за получаване на малък изходен импеданс на операционния усилвател с цел по-добро съвпадение на операционния усилвател с товара. Извършва се по едноциклична, а най-често по двуциклова схема. В някои ОУИзходните стъпала имат схема за защита от претоварване, която ограничава максималния ток на транзисторите на изходния етап.
Захранването на оп-усилвателя, като правило, се извършва от биполярни източници, което улеснява компенсирането на нулевото отместване на изхода на оп-усилвателя при липса на входни сигнали и елиминира директния компонент на тока и напрежението в товара. При това захранване входните и изходните сигнали могат да бъдат биполярни. За повечето съвременни операционни усилватели захранващото напрежение може да се променя в широк диапазон: от ±3 до ±15. V (важно е само абсолютната стойност на напрежението на "положителния" и "отрицателния" източник да остане същата).
За да се осигури стабилност в операционните усилватели, честотно зависимите обратни връзки (коригиращи вериги) се използват широко.
Добрите шумови свойства на операционния усилвател се осигуряват от специални технологични операции при производството на транзистори с минимална контактна площ отp-n-преходи с повърхността, намаляване на абсолютните размери на транзисторите, висококачествена изолация и използване на транзистори с полеви ефекти във входните етапи.
Повечето интегрирани операционни усилватели се произвеждат с помощта на полупроводникова технология (серии K140, K153, K740, K744, 287).
Напредъкът в интегрираната технология направи възможно производството на операционни усилватели с определени технически параметри в един пакет. Това дава възможност да се разглежда като независим компонент с определени параметри.
Условните обозначения на операционния усилвател са показани на Фигура 4.82,a, b.Показаният усилвател има един изходен щифт (показан отдясно) и два входни щифта (показан от лявата страна). Знакът ∆ характеризира усилването. Вход, чието напрежение е 180° извън фазата по отношение на изходното напрежениесе нарича инвертиращ и се обозначава със знака за инверсия "О", а входът, напрежението при който е във фаза с изходното напрежение, е неинвертиращ. Изходът, общ за входа и изхода, често не се показва. Това е автобус с обща информация. За да се улесни разбирането на целта на заключенията и да се увеличи информационното съдържание, е разрешено да се въведат едно или две допълнителни полета от двете страни на основното поле, в които са посочени етикети, които характеризират изходните функции (Фигура 4.82,b).
Фигура 4.82 - Символи на ОС:
a - без допълнително поле; b - с допълнителни полета, NC - балансиращи изходи, FC - изходи за честотна корекция, U - изходи за захранващо напрежение, x - изход на неносеща логическа информация; OV—общ иноничен изход; -кадър.
Фигура 4.83,aпоказва конвенционалното графично обозначение на операционния усилвател при наличие на изход, общ както за входовете, така и за изхода
Фигура 4.83 - Условно графично обозначение на оп-усилвателя при наличие на изход, общ както за входовете, така и за изхода (а) и трансфер (амплитуда) характеристики на оп-усилвателя (б)
Характерна особеност на оп-усилвателя е, че входните сигнали се прилагат спрямо една обща шина, спрямо която се взема изходният сигнал. При нулеви входни напрежения изходният сигнал е нула. Благодарение на това свойство, източниците на входен сигнал и натоварването могат да бъдат директно свързани към изходите на операционния усилвател, без да се притеснявате за разделянето на променливите и постоянните компоненти и без риск от промяна на статичните режими на работа на усилвателните стъпала.