Борис Семенов - Путеводитель в мир электроники. Книга 2
Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).
Рис. 13.8. Типовой операционный усилитель (так его часто показывают на электрических схемах, но встречаются и другие обозначения)
На сложных схемах, чтобы не загромождать ее лишними линиями, затрудняющими чтение чертежа, иногда не указывают около корпуса питающие цепи (это бывает обозначено текстом или в виде таблицы).
Внутренняя структура такого усилителя построена на основе дифференциального каскада с несимметричной нагрузкой, подробно рассмотренного в книге 1. Поэтому ОУ и имеет два разных входа. Подав сигнал на прямой вход, мы получим совпадение фаз входного и выходного сигналов; инвертирующий вход «повернет» фазу на 180 градусов (поэтому он инвертирующим и называется).
Операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления напряжения — 104…106 раз — и, если мы подадим на любой из его входов синусоидальный сигнал, на выходе получатся прямоугольные импульсы. Чтобы микросхема работала в линейном режиме, к тому же усиливала входной сигнал не больше и не меньше, чем нам требуется, вводят отрицательную обратную связь. Как это делается, мы расскажем чуть позже.
Во многих «операционниках» имеются специальные выводы для подключения балансировочного резистора (Rбал,), который может задавать постоянный сигнал на выходе микросхемы.
Зачем? Любой реальный ОУ имеет небольшое смещение нуля на входе (единицы или десятки милливольт), и, усилившись, это смещение может превратиться на выходе в значительную величину. Например, для популярного ОУ типа КР544УД2А напряжение смещения составляет 30 мВ, а коэффициент усиления по напряжению — 2·104 (без ООС). На выходе теоретически мы получим постоянную составляющую, равную 60 В, а практически она будет ограничена напряжением питания 15 В. ОУ без обратной связи используются реже, чем ОУ, охваченные ООС но все равно, даже при типичных коэффициентах усиления 10…1000 смещение сигнала на выходе может был довольно большим. Чтобы устранить его, вращают переменный балансировочный резистор.
Рис. 13.9. Принцип работы операционного усилителя
Теперь о частотных свойствах операционных усилителей. ОУ без обратной связи не снижает амплитуду сигнала на выходе только при очень небольших значениях частоты. Затем, — с повышением частоты, усиление начинает падать из-за частотных свойств внутренних транзисторов. На определенной частоте f1, называемой граничной частотой усиления, сигнал перестает усиливаться по напряжению, т. е. КU = 1 (см. рис. 13.10), — ее еще называют частотой единичного усиления (именно об этом говорит индекс 1).
Рис. 13.10. Определение частоты граничного усиления
Равномерной полосы усиления добиваются за счет снижения коэффициента усиления (введение обратной связи). Частота f1 нормируется в справочниках.
Операционные усилители не могут работать без частотной коррекции. Она бывает внешней — тогда на корпусе предусматриваются выводы для подключения конденсаторов небольшой емкости или RC цепей. Современные усилители все чаще используют встроенную коррекцию, когда она оптимизируется на стадии изготовления и встраивается в «операционник». Зачем нужна частотная коррекция? Любой операционный усилитель без частотной коррекции обладает сложной частотной характеристикой и легко может стать генератором колебаний, «завестись». Самовозбуждение усилителей — очень неприятная вещь, борьбе с которой посвящена не одна сотня книг. Только представьте, что ваш УНЧ не слушается регулятора громкости и непрерывно гудит…
Частотная коррекция (рис. 13.11) повышает устойчивость ОУ к возбуждению.
Рис. 13.11. Частотные характеристики нескорректированного (а) и скорректированного (б)
Еще одна интересная характеристика ОУ — скорость нарастания выходного сигнала (Vu). Она указывается в В/мкс, а измеряют ее по форме фронта выходного сигнала, как показано на рис. 13.12.
Рис. 13.12. Определение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
На вход усилителя подают так называемый «скачок» — мгновенное изменение уровня сигнала. На выходе сигнал не сразу вырастет до своего максимального уровня, а станет «набирать» высоту постепенно. Чем быстрее «наберет» сигнал свой уровень, тем более быстродействующим считается ОУ.
Из традиционных параметров укажем входное и выходное сопротивления ОУ, а также максимальный входной сигнал. Есть еще один очень важный параметр, называемый минимальным сопротивлением нагрузки. Снижение сопротивления ниже этого уровня может привести к перегрузке ОУ и даже к выходу его из строя (если, конечно, в нем не предусмотрена защита на такой случай).
В зависимости от значения параметров ОУ разделяются на следующие виды:
• общего применения;
• быстродействующие;
• прецизионные (с высокой стабильностью характеристик);
• микромощные (с низким энергопотреблением);
• программируемые (у этих ОУ один или несколько параметров могут управляться специальным внешним сигналом).
В радиолюбительской практике используются ОУ серий К140, КР544, КР574, К1401, К1407, К538, К548, К157 и многие другие, в том числе и зарубежного производства.
Большинство ОУ питается двухполярным напряжением ±15 В, но может питаться меньшим и однополярным. Более того, «операционники», рассчитанные на двухполярное напряжение, могут быть включены на однополярное.
Успешное функционирование электронной схемы в значительной степени зависит от того, насколько хорошо обеспечено питание ее каскадов. Допустим, мы изготовили хороший источник питания, например из опубликованных в первой книге. Но одного только источника мало! Такой ИП обеспечивает только общее питание схемы, а задача распределения напряжения по каскадам лежит на разработчике схемы. Мы уделим внимание питанию операционных усилителей, так как здесь есть несколько маленьких хитростей, которые радиолюбители, да и не только они широко применяют.
Классический вариант питания операционного усилителя показан на рис. 13.13.
Рис. 13.13. Классическая схема питания ОУ от двухполярного источника со средней точкой
Здесь имеется источник двухполярного напряжения ±15 В, и в таком включении работать с ОУ очень просто, в чем вы убедились, изготовив конструкции, приведенные в этой главе. Как говорится, никаких проблем.
Но чаще всего хочется использовать однополярный источник напряжения (как правило, такие источники наиболее распространены в радиолюбительских схемах). В то же время, анализируя параметры известных ОУ, можно сделать интересный вывод — большинство их работает и при пониженном питании, чем это гарантируют технические условия. В таком случае удобно задать искусственную «общую точку» (это так называемая «плавающая земля»), как показано на рис. 13.14.
Рис. 13.14. Искусственная «общая точка» на основе резисторного делителя
Важно отметить, что такая «общая точка» годится для работы с переменными сигналами, и то не более чем для 3–4 ОУ, подключенных к ней. Но в любом случае рекомендуется на минимально возможном расстоянии от выводов питания микросхем и «общей точки» включать керамические конденсаторы небольшой емкости (примерно 0,015…0,1 мкФ) — они на рисунке не показаны. Эти конденсаторы в значительной степени «спасают» схему от импульсных помех по цепям питания. Помогают они, как мы говорили, и в случае взаимного влияния микросхем друг на друга.
Компараторы
Любой операционный усилитель можно превратить в компаратор, если не охватывать его обратной связью. Название этого электронного устройства происходит от английского слова «compare» — сравнение. Отсюда понятна функция компаратора — сравнение двух аналоговых сигналов по величине и выдача информации о том, какой сигнал больше (рис. 13.15).
