4.1 Введение в операционные усилители: «идеальный компонент»



==223

В предыдущих трёх частях книги рассказывалось о построении схем на отдельных компонентах как активных, так и пассивных. К базовым строительным элементам относились биполярные и полевые транзисторы, резисторы, конденсаторы и некоторые другие элементы, нужные для задания тока, передачи сигнала, формирования импеданса нагрузки и т.д.

Этот набор позволил продвинуться достаточно далеко. Стало ясно, как устроены простые блоки питания, усилители и повторители сигналов, источники тока, дифференциальные усилители, аналоговые ключи, мощные каскады, регуляторы и даже какие-то зачатки цифровой логики.

Кроме того, произошло знакомство с неидеальностями компонентов. Усилители напряжения имеют проблемы с нелинейностью ( усилитель с заземлённым эмиттером и сигналом амплитудой 1 mV имеет ∼1% искажений ), которой приходится платить за усиление по напряжению ( с искажениями можно бороться, добавляя обратную связь в эмиттер ). В дифференциальных усилителях есть входной разбаланс. У биполярных транзисторов он имеет величину десятки милливольт, а у полевых - на порядок больше. При работе с биполярными транзисторами приходится беспокоиться о входных токах ( часто весьма заметных ) и температурной зависимостью напряжения \( V_{BE}\) , а у полевых борьба идёт с непредсказуемой величиной \( V_{GS}\) [* и температурной зависимостью тока затвора ] .

Состоялось знакомство с приёмами, улучшающими параметры схем. Например, линеаризующий эффект отрицательной обратной связи ( §2.5.3 ) позволяет улучшить общие параметры всей схемы и снизить зависимость от качества компонентов . Именно отрицательная обратная связь увеличивает линейность каскада с общим эмиттером, если в эмиттер добавить резистор ( ценой снижения усиления по напряжению ). При высоких значениях петлевого усиления отрицательная обратная связь способна обеспечить почти полную независимость параметров схемы от неидеальности транзисторов.

Способна, но до настоящего момента не обеспечивала. Высокое усиление в ветви обратной связи требует наличия элементов, способных его обеспечить, и по-прежнему подразумевает существенные трудозатраты при разработке. Это фирменная черта сложных устройств, собранных на дискретных компонентах ( в противоположность интегральным ).

И вот, наконец, обещанное совершенство - операционный усилитель. Речь идёт о практически «идеальном компоненте» - законченном усилительном модуле, больше всего похожем на дифференциальный усилитель со связью по постоянному току, однополярным выходом и очень высоким усилением. У него отличная симметрия входных цепей и почти нулевой входной ток. ОУ проектируются как усилительные элементы с обязательной обратной связью, когда практически все параметры итогового устройства получаются за счёт высокого петлевого усиления. ОУ компактны и недороги и могут служить исходной точкой практически любого аналогового устройства. Они позволяют создавать почти идеальные усилители, источники тока, интеграторы, фильтры, регуляторы напряжения, преобразователи тока в напряжение и служат основой почти для всех аналоговых схем.

Операционный усилитель - первый пример интегральной схемы , в которой некоторое количество отдельных элементов помещены на поверхность общего кремниевого кристалла ^_1 . На рис. 4.1 показаны корпуса, в которые упаковывают такие ИМС.

4.1.1 Обратная связь и операционные усилители

Отрицательная обратная связь впервые встретилась в Части _2 , где объяснялось, как частичная компенсация входного сигнала с помощью выходного улучшает линейность, плоскость АЧХ и предсказуемость характеристик. Было показано, что чем более глубокая отрицательная связь используется, тем меньше характеристики схемы зависят от параметров усилителя без обратной связи и тем больше от параметров цепи обратной связи. ОУ обычно используются с большими коэффициентами петлевого усиления , имея усиление по напряжению без обратной связи миллион или около того.



==224

Цепь обратной связи может быть частотно зависимой, чтобы получить в итоге усилитель со скорректированной АЧХ. Примером могут служить ручки управления усилением на средних и низких частотах в аудио системах. Обратная связь может зависеть от амплитуды и формировать тем самым нелинейный усилитель. Самый известный пример - логарифмический усилитель, использующий в обратной связи логарифмическую зависимость \( V_{BE}\) от \(I_C\) транзистора. Обратную связь можно организовать так, чтобы получить источник тока с почти бесконечным выходным импедансом или наоборот, источник напряжения с импедансом, близким к нулю. А можно переключаться между этими состояниями. В общем случае, характеристика, которая используется для замыкания обратной связи, и будет параметром, который улучшится в итоге. Т.е. если замыкать петлю сигналом, пропорциональным выходному току, схема превратится в хороший источник тока.

Как отмечалось в §2.5.1 , обратная связь может быть и положительной , как в генераторах или триггерах Шмитта. Это примеры хорошей положительной обратной связи. Плохая - нежелательная и незваная - положительная обратная связь возникает, когда в обычной отрицательной связи накопится большая задержка фазы. На какой-то частоте отрицательная связь превращается в положительную, и тогда возникают колебания. Происходить это может по многим причинам, и эта важная тема рассматривается в §4.9 , где рассказывается о механизме частотной коррекции , позволяющем предотвратить генерацию.

Сделав это общее замечание, рассмотрим обратную связь на нескольких примерах с операционными усилителями.

4.1.2 Операционные усилители

Операционные усилители - дифференциальные усилители с очень высоким коэффициентом усиления, связью по постоянному току и однополярным выходом. Классическую пару с двумя входами и одним выходом ( §2.3.8 ) можно рассматривать как прототип, хотя реальные ОУ имеют гораздо большее усиление ( \(10\space^5...10\space^6\) ) , меньший выходной импеданс и позволяют использовать большую часть диапазона питания ( обычно используется источник со средней точкой ). Выпускаются тысячи моделей операционных усилителей, но все они обозначаются одним схемным символом, показанным на рис. 4.2 . Выводы (+) и (–) делают именно то, что ожидается: выход меняется в положительном направлении. когда неинвертирующий вход (+) становится более положительным, чем инвертирующий (–) и наоборот. Символы (+) и (–) не означают, что один должен быть более положителен, чем другой, или что на одном должен быть положительный потенциал, а на другом - отрицательный. Они означают лишь относительную фазу выхода, которая важна для сохранения отрицательности обратной связи. Использование терминов «неинвертирующий» и «инвертирующий», вместо «плюс» и «минус», позволяет избежать неоднозначности в этом вопросе. Выводы питания чаще всего не показывают, вывода земли нет. ОУ имеет очень большое усиление по напряжению и никогда ( ладно, пусть будет «в подавляющем большинстве случаев» ) не используется без обратной связи. Его стоит рассматривать в качестве исходного материала для создания цепи обратной связи. Исходный коэффициент усиления ( с разомкнутой петлёй ) столь велик именно для того, чтобы при некоторой разумной величине усиления с замкнутой петлёй характеристики схемы зависели бы только от цепи обратной связи. Конечно, на некотором достаточно высоком уровне детализации эта концепция прекращает работать. Обсуждение темы начнётся с простого разбора общих принципов работы операционных усилителей, а углубление в разного рода детали будет происходить по мере надобности.

В настоящий момент имеются тысячи различных моделей ОУ, предлагающие различные сочетания параметров, которые будут объяснены позднее ( если не терпится оценить малую часть имеющегося разнообразия, добро пожаловать в табл. 4.2 , 5.5 и 8.3 ). Очень хорошим середнячком-универсалом является LF411 ( или для краткости просто «411» ), который вышел из лаборатории National Semiconductor. Как и многие другие ОУ это мелкая таракашка, упакованная в mini-DIP ( с двухрядным расположением выводов ) или в SOIC ( малогабаритный корпус для ИС), и выглядит, как показано на рис. 4.3 . Микросхема недорогая ( менее $1 ) и удобная в использовании. Выпускается в улучшенной модификации ( LF411A ) и имеет вариант с двумя независимыми ОУ в одном корпусе ( т.н. «сдвоенный» ОУ LF412 ). В данной части LF411/412 будет использоваться как «стандартный» операционный усилитель, который на пару с универсальным LMC6482 рекомендуется в качестве исходной точки любой разработки.



==225

В корпусе микросхемы располагается кусочек кремния, содержащий 24 транзистора ( 21 биполярный и 3 полевых ), 11 резисторов и 1 конденсатор. Можно забежать чуть вперёд и взглянуть на рис. 4.43 ( стр. 243 ), где приводится его упрощённая схема. Расположение выводов показано на рис. 4.4 . Точка в верхнем левом углу или полукруглый вырез в корпусе называется «ключом» и служит для указания первого вывода. У большинства корпусов счёт выводов идёт против часовой стрелки, если смотреть сверху. Выводы «OFFSET NULL» ( подстройка смещения, называемая также «BALANCE» и «TRIM» ) предназначены для подключения внешних цепей коррекции небольшой асимметрии, возникающей в процессе производства микросхемы. Подробнее этот вопрос рассматривается позднее.

4.1.3 Золотые правила

Ниже приводятся простые правила, которым подчиняется поведение операционного усилителя, охваченного обратной связью. Они хорошо работают почти для всех схем с ОУ.

Во-первых, усиление ОУ столь велико, что разница между потенциалами входов даже в доли милливольта приводит к появлению на выходе одного из крайних значений полного диапазона выходного напряжения, поэтому конкретная величина упомянутой разницы отбрасывается и формулируется «правило I»:

I. Выход пытается сделать всё, что необходимо, для удержания нулевой разности потенциалов между входами.

Во-вторых, ОУ отбирает по входам очень небольшой ток ( около 50 pA для LF411 с полевыми транзисторами на входе и менее пикоампера для усилителей с МОП транзисторами ), поэтому отбрасываем цифры и формулируем «правило II»:

II. Входы ток не потребляют.

Одно важное замечание: правило I не означает, что ОУ изменяет напряжение на входах: он не может этого сделать ( и как, спрашивается, такое изменение согласовывалось бы с правилом II? ). Вместо этого, усилитель «смотрит» на свои входы и изменяет напряжение на выходе так, чтобы внешняя цепь обратной связи скомпенсировала разницу на входе до нуля ( если это возможно ).

Два этих правила дают широкий простор для деятельности. Они будут проиллюстрированы некоторыми важными базовыми схемами, которые сопровождаются несколькими предупреждениями, собранными в §4.2.7 .



==225