1 Литературный обзор

         1.1 История открытие и устройство операционного усилителя

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным [1].

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем (рисунок 1).

Рисунок 1 – Ламповый операционный усилитель K2-W.

В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ – μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 – первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся [2].

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко – операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике (рисунок 2).

Рисунок 2 – Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Добавление лишь нескольких внешних компонент делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ стоят всего несколько центов в крупных партиях (1000 шт.), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить довольно дорого.

1.2 Обозначение элементов устройства

На рисунке 3 показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

- V₊: неинвертирующий вход;

- V₋: инвертирующий вход;

- V_out: выход;

- V_S+: плюс источника питания.

Рисунок 3 – Обозначение операционного усилителя на схемах

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа.

В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса – усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса – усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху) [1].

1.3 Принцип действия

Дифференциальные входы усилителя состоят из двух выводов – V₊ и V_-, идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя этими входами, эта разница называется дифференциальным напряжением на входе. Напряжение на выходе операционного усилителя определяется формулой:

                                                                                       (1)

где V₊ - напряжение на неинвертирующем (прямом) входе;

V_- - напряжение на инвертирующем (инверсном) входе;

A_OL - коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (то есть обратная связь от выхода ко входу отсутствует).

         Значение коэффициента усиления у микросхем операционных усилителей обычно большое – 100000 и более, следовательно довольно небольшая разница напряжений между входами V₊ и V_- приведёт к появлению на выходе усилителя напряжения почти равному напряжению питания. Это называется насыщение усилителя. Величина коэффициента усиления A_OL имеет технологический разброс, поэтому не стоит использовать один операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, рекомендуется применять схему из трёх усилителей. Без отрицательной обратной связи, и возможно при наличии положительной обратной связи, операционный усилитель будет работать как компаратор. Если инвертирующий вход соединить с общим проводом (нулевым потенциалом) напрямую или через резистор, а напряжение V_in, поданное на неинвертирующий вход будет положительным, то выходное напряжение будет максимально положительным. Если подать на вход отрицательное напряжение V_in, то на выходе напряжение будет максимально отрицательным. Поскольку с выхода на входы обратная связь отсутствует, то такая схема с разомкнутой цепью обратной связи будет работать как компаратор, коэффициент усиления схемы будет равен коэффициенту усиления операционного усилителя A_OL.

Для того, что бы работа операционного усилителя была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путём подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Эта замкнутая цепь обратной связи существенно снижает усиление усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление схемы значительно больше зависит от параметров цепи обратной связи, чем от параметров операционного усилителя. Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения параметров операционного усилителя существенно не влияют на характеристики схемы. Передаточная характеристика схемы с операционным усилителем определяется математически передаточной функцией. Проектирование схем с заданной передаточной функцией с операционными усилителями относится к области радиоэлектроники. Передаточная функция является важным фактором в большинстве схем, использующих операционные усилители, например, в аналоговых компьютерах. Высокое входное сопротивление входов и низкое выходное сопротивление выхода является так же полезной особенностью операционных усилителей.

1.4 Характеристики операционных усилителей

1.4.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель (рисунок 4) может работать при любых входных напряжениях и имеет следующие свойства:

- коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи равен бесконечности (при теоретическом анализе полагают коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи A_OL стремящимся к бесконечности).

- диапазон выходных напряжений V_out равен бесконечности (на практике диапазон выходных напряжений ограничивают величиной напряжения питания _Vs+ и V_s-).

- бесконечно широкая полоса пропускания (т.е. амплитудно-частотная характеристика является идеально плоской с нулевым фазовым сдвигом).

- бесконечно большое входное сопротивление (R_in = ∞, ток из V₊ в V_- не течёт).

- нулевой входной ток (т.е. предполагается отсутствие токов утечки и токов смещения).

- нулевое напряжение смещения, т.е. когда входы соединены между собой V₊ = V_-, то на выходе присутствует виртуальный ноль (V_out = 0).

- бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе (т.е. скорость изменения выходного напряжения не ограничена) и бесконечно большая пропускная мощность (напряжение и ток не ограничены на всех частотах).

- нулевое выходное сопротивление (R_out = 0, так что выходное напряжение не меняется при изменении выходного тока).

- отсутствие собственных шумов.

- бесконечно большая степень подавления синфазных сигналов.

- бесконечно большая степень подавления пульсаций питающих напряжений.

Рисунок 4 – Эквивалентная схема операционного усилителя, в которой смоделированы некоторые неидеальные резистивные параметры

Эти свойства сводятся к двум "золотым правилам".  Первое правило говорит о том, что выход операционного усилителя стремится к тому, что бы разница между входными напряжениями стала равной нулю.

Второе же говорит о том, что оба входа операционного усилителя не потребляют ток.

Первое правило применимо к операционному усилителю, включённому в схему с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи. Эти правила обычно применяются для анализа и проектирования схем с операционными усилителями в первом приближении.

На практике ни одно из идеальных свойств не может быть полностью достигнуто, поэтому приходится идти на различные компромиссы. В зависимости от желаемых параметров, при моделировании реального операционного усилителя учитывают некоторые неидеальности, используя эквивалентные цепи из резисторов и конденсаторов в его модели. Разработчик может заложить эти нежелательные, но реальные эффекты в общую характеристику проектируемой схемы. Влияние одних параметров может быть пренебрежительно мало, а другие параметры могут налагать ограничение на общие характеристики схемы [3].

1.4.2 Реальный операционный усилитель

В отличии от идеального, реальный операционный усилитель (рисунок 5) имеет неидеальность различных параметров.

Рисунок 5 – Реальный операционный усилитель

У идеального операционного усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи коэффициент усиления бесконечен, в отличии от реального усилителя, у которого он конечен. Типичные значения этого параметра по постоянному току при разомкнутой петле обратной связи находятся в диапазоне от 100000 до более чем миллиона. Поскольку этот коэффициент усиления очень большой, то усиление схемы будет определяться исключительно коэффициентом отрицательной обратной связи (т.е. коэффициент усиления схемы не будет зависеть от коэффициента усиления операционного усилителя при разомкнутой петле обратной связи). Если же коэффициент усиления схемы при замкнутой петле обратной связи требуется очень большой, то для этого коэффициент обратной связи должен быть очень небольшим, поэтому в этом случае операционный усилитель перестанет вести себя идеально.

Дифференциальное входное сопротивление операционного усилителя определяется как сопротивление между его двумя входами; синфазное входное сопротивление - это сопротивление между каким-либо из входов и землёй. Операционные усилители со входами на полевых транзисторах часто имеют защитные цепи на своих входах для защиты от превышения входным напряжением некоторого порога, так что в некоторых тестах входное сопротивление таких приборов может оказаться очень низким. Но поскольку эти операционные усилители обычно используются в схемах с глубокой обратной связью, то эти защитные цепи остаются не задействованы. Напряжение смещения и токи утечки, описанные далее, являются гораздо более важными параметрами при проектировании схем с операционными усилителями.

Низкое выходное сопротивление является очень важным для низкоомных нагрузок, так как падение напряжения на выходном сопротивлении может быть существенным. Следовательно, выходное сопротивление усилителя ограничивает максимально достижимую выходную мощность. В схемах с отрицательной обратной связью по напряжению выходное сопротивление усилителя уменьшается. Таким образом, при применении операционных усилителей в линейных схемах можно получить очень низкое выходное сопротивление. Однако отрицательная обратная связь не может уменьшить ограничения, накладываемые сопротивлениями Rload (сопротивление нагрузки) и Rout (выходное сопротивление операционного усилителя) на возможные максимальное и минимальное выходные напряжения – она может только снизить ошибки в этом диапазоне напряжений. Низкое выходное сопротивление обычно требует высоких токов покоя для выходных каскадов операционного усилителя, что ведёт к увеличению рассеиваемой мощности, так что в маломощных схемах приходится умышленно жертвовать низким выходным сопротивлением [2].

Из-за наличия токов смещения или утечки, небольшой ток (обычно - ≈ 10 наноампер для операционных усилителей с биполярными транзисторами во входных каскадах, десятки пикоампер - для входных каскадов на полевых транзисторах и несколько пикоампер для МОП входных каскадов) попадает на входы. Когда в схеме используются резисторы или источники сигнала с высоким сопротивлением, то незначительный ток может создать довольно большое падение напряжения. Если входные токи совпадают, и сопротивления, подключённые к обоим входам одинаковые, то в этом случае напряжения на входах окажутся одинаковыми. Поскольку для работы операционного усилителя важна разность напряжений между входами, то эти одинаковые напряжения на входах не повлияют на работу схемы (если конечно операционный усилитель хорошо подавляет синфазный сигнал). Но обычно эти токи на входах (или входные сопротивления на входах) немного не совпадают, так что возникает небольшое напряжение смещения (но это не то напряжение смещения, которое описано абзацем ниже). Это напряжение смещения может создать смещение или дрейф операционного усилителя. Часто в схеме применяются органы регулировки для его компенсации. У некоторых операционных усилителей предусмотрены выводы для подключения внешнего подстроечного резистора, которым можно сбалансировать входы и тем самым убрать это смещение. Некоторые операционные усилители могут автоматически компенсировать напряжение смещения.

Это напряжение, необходимое на входах операционного усилителя для того, что бы установить напряжение на выходе, равное нулю, относится к несовпадению входных токов смещения. В идеальном усилителе отсутствует входное напряжение смещения. Но в реальных операционных усилителях это напряжение присутствует, так как у большинства усилителей на входе имеется неидеальный дифференциальный каскад. Входное напряжение смещения создаёт две проблемы: во-первых, из-за высокого коэффициента усиления по напряжению выход усилителя практически гарантированно перейдёт в состояние насыщения при работе без цепи отрицательной обратной связи, даже если оба входа соединены между собой. Во-вторых, при замкнутой цепи отрицательной обратной связи входное напряжение смещения будет усиливаться вместе с сигналом и это может привести к проблемам для высокоточных усилителей постоянного тока или если входной сигнал очень слабый [1].

Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между входами, полностью подавляя все напряжения, общие для обоих входов. Однако дифференциальный входной каскад реальных операционных усилителей никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторому усилению одинаковых напряжений, приложенных к обоим входам. Величину этого недостатка измеряют коэффициентом подавления синфазного сигнала. Минимизация усиления синфазного сигнала обычно важна в схемах неинвертирующих усилителей с большим коэффициентом усиления.

Выходной втекающий ток - это максимально допустимый втекающий ток для выходного каскада. Некоторые производители указывают зависимость выходного напряжения от втекающего тока на графике, что позволяет получить представление о выходном напряжении при наличии тока из внешнего источника, втекающего в выходной каскад усилителя.

Все параметры изменяются при изменении температуры. Температурный дрейф входного напряжения смещения является особенно важным параметром.

Выходной сигнал идеального операционного усилителя будет полностью независим от пульсаций питающего напряжения на его выводах питания. Каждый реальный операционный усилитель имеет определённый коэффициент подавления пульсаций питающих напряжений, который показывает, насколько подавляются эти пульсации. Применение блокировочных конденсаторов по питанию могут улучшить этот параметр для многих устройств, включая и операционные усилители [3].

Кроме того, все усилители имеют конечный частотный диапазон. В первом приближении операционный усилитель имеет амплитудно-частотную характеристику интегратора с усилением. То есть усиление типичного операционного усилителя обратно пропорционально частоте, оно характеризуется произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания f_Т. Например, операционный усилитель с f_Т = 1 мГц может иметь усиление пять раз на частоте 200 кГц, и усиление, равное единице на частоте 1 мГц. АЧХ операционного усилителя совместно с очень высоким коэффициентом усиления по постоянному току дают амплитудно-частотную характеристику как у низкочастотного фильтра первого порядка с высоким коэффициентом усиления по постоянному току и низкой частотой среза.

К тому же входная ёмкость является важным параметром при работе на высоких частотах, так как она снижает коэффициент усиления усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи.

1.5 Патентный обзор

В рассматриваемой области было изобретено всевозможное множество приборов, использующих данный принцип.

Для начала рассмотрим запатентованное устройство «операционный усилитель», непосредственно относящееся к данной курсовой работе. Изобретение относится к радиоэлектронике. Технический результат: увеличение входного сопротивления операционного усилителя (ОУ). Операционный усилитель охвачен с выхода на вход отрицательной обратной связью (ООС). Для повышения входного сопротивления в плюсовую и минусовую шины питания ОУ дополнительно включены первый и второй резисторы, к ним соответственно через третий и четвертый резисторы, а также параллельно этим резисторам через первый и второй конденсаторы подключен неинвертирующий вход ОУ, выход которого через резистор нагрузки соединен с общим проводом. Включенные дополнительно в плюсовую и минусовую шины питания первый и второй резисторы образуют для неинвертирующего входа ОУ симметричный противофазный выход, с которого через третий, четвертый резисторы и через первый, второй конденсаторы на неинвертирующий вход ОУ подан сигнал ООС, стабилизирующий его работу. Токи сигналов через первый и второй резисторы соответствуют току сигнала в резисторе нагрузки на выходе ОУ. Сигнал на выходе ОУ находится в противофазе по отношению к поданному непосредственно на его инвертирующий вход сигналу [1].

Следующим запатентованным устройством является «измерительный операционный усилитель». Изобретение относится к области радиотехники, а точнее к прецизионным измерительным операционным усилителям (ОУ) и может быть использовано, например, в медицинской диагностической аппаратуре в области электрокардиологии, электроэнцефаллографии, электромиографии и др. Оно направлено на уменьшение нелинейных искажений усиливаемых сигналов. Усилитель содержит три ОУ, одно p- n -p и одно n-p-n токовые зеркала Вильсона, при этом инвертирующие входы первого и второго ОУ соединены между собой через первый резистор, выходы всех ОУ соединены соответственно с их инвертирующими входами, задающий вход n-p-n токового зеркала подключен к отрицательному выводу питания второго ОУ, положительные выводы питания всех ОУ и вывод питания p-n-p токового зеркала подключены к положительному выводу источника питания, отрицательные выводы питания первого и второго ОУ соединены между собой, а отрицательный вывод питания третьего ОУ и вывод питания n-p-n токового зеркала соединены с отрицательным выводом источника питания. Выход n-p-n токового зеркала подключен к инвертирующему входу третьего ОУ и к задающему входу n-p-n токового зеркала, выход которого через переменный резистор подключен к отрицательному выводу источника питания. Неинвертирующий вход третьего ОУ заземлен, а его выход соединен со своим инвертирующим входом через второй резистор [4].

Использование: прецизионные измерительные операционные усилители (ОУ) для использования в радиотехнике и медицинской диагностической аппаратуре в электрокардиологии, электроэнцефаллографии, электромиографии. Сущность изобретения: усилитель содержит первый, второй, третий ОУ, а также первое и второе токовые зеркала (ТЗ). Неинвертирующие входы первого и второго оу являются входами измерительного ОУ. Входы первого и второго ТЗ подключены соответственно к положительному и отричательному выводам питания первого ОУ, а их выводы соединены. Выводы питания ТЗ подключены к шинам соответственно положительного и отрицательного напряжения. Инвертирующий вход первого ОУ через первый резистор соединен с инвертирующим входом и выходом второго ОУ. Выход третьего ОУ является выходом измерительного ОУ и соединен с инвертирующим входом третьего ОУ, неинвертирующий вход которого через второй резистор подключен к общей шине. Соединенные выходы первого и второго ТЗ подключены к инвертирующему входу первого ОУ, выход которого соединен с неинвертирующим входом третьего ОУ. Изобретение уменьшает нелинейные искажения усиливаемых сигналов.

Далее своё развитие приобрёл «Мощный операционный усилитель», устройство которого также было запатентовано и используется в схемах управления двигателями, аудиоусилителях и в измерительной аппаратуре. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит последовательно соединенные операционный усилитель и выходной двухтактный каскад, а также блок базового смещения, блок тепловой защиты, источник опорного тока, блок ограничения тока и отражатель тока. Инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя являются входами устройства. Первое и второе плечи выходного двухтактного каскада выполнены на составных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. В цепях эмиттеров составных транзисторов включены токоограничительные резисторы. Эмиттер первого двухколлекторного p-n-p-транзистора соединен с блоком базового смещения и с базой составного транзистора первого плеча. База первого двухколлекторного p-n-p-транзистора соединена с первым коллектором этого же транзистора и подключена к соответствующему входу блока ограничения тока. К другому его входу подключен эмиттер второго двухколлекторного p-n-p-транзистора. База второго двухколлекторного p-n-p-транзистора соединена с первым коллектором этого же транзистора и с базой составного транзистора второго плеча. Вторые коллекторы первого и второго двухколлекторных p-n-p-транзисторов объединены и подключены к входу отражателя тока, соединенного с базой и одним коллектором третьего двухколлекторного p-n-p-транзистора. В устройстве имеются также пять n-p-n-транзисторов, подключенных к блоку тепловой защиты, резистивному делителю мощности, к источнику опорного тока и к стабилитрону [2].

1.6 Применение операционных усилителей

Применение операционных усилителей в качестве блоков позволяет упростить создание схем и делает их чтение более лёгким, чем при использовании дискретных компонентов (транзисторов, резисторов, конденсаторов). При проектировании схем в первом приближении операционные усилители рассматривают как идеальные дифференциальные компоненты, и только при последующих шагах учитывают все неидеальности и ограничения этих устройств.

Для всех схем схемотехника остаётся той же самой. В спецификации указываются назначение схемы и требования к ней с соответствующими допусками. Например, требуется усиление 1000 раз с допуском 10% и дрейфом 2% в заданном диапазоне температур, входное сопротивление не менее 2 мОм и т.д.

При проектировании часто используют моделирование схем на компьютере, например, в программе схемотехнического моделирования MicroCAP, в которой имеются некоторые модели коммерческих операционных усилителей и других компонентов. Если в результате моделирования выясняется, что некоторые параметры проектируемой схемы не удаётся реализовать, то в этом случае приходится корректировать спецификацию.

После компьютерного моделирования собирают опытный образец схемы и проводят его испытание, внося если надо изменения в схему для её улучшения или для того, что бы схема соответствовала спецификации. Так же проводят оптимизацию схемы для снижения её стоимости и улучшения функциональности [5].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Пичугин С.В. Применение трансимпедансных усилителей // Новости электроники. – 2008. – № 5. – с. 14-19.

2 Треттер К. Архитектуры прецизионных операционных усилителей // Время электроники. – 2011. – № 1. – с. 1-5.

3  Звонарев Е.К. Современные прецизионные и экономичные операционные усилители NATIONAL SEMICONDUCTOR // Новости электроники. – 2006. – № 15. – с. 26-32.

4 Миляев А.Р. Новый быстродействующий операционный усилитель с однополярным питанием // Новости электроники. – 2009. – № 11. – с. 35-42.

5 Ямалов П.И. Новое семейство операционных усилителей с нулевым дрейфом // Новости электроники. – 2008. – № 7. – с. 14-21.