Термин "операционный усилитель" ранее применялся для усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления и малым дрейфом, выполненных на электронных лампах и позднее на дискретных транзисторах. Такие усилители служили основой аналоговых ЭВМ, весьма эффективных для решения операторных уравнений высоких порядков. В настоящее время операционным усилителем (ОУ) называют интегральную микросхему, имеющую дифференциальный вход
Кроме двух входов, выхода и выводов питания, ОУ может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока).
В идеальном случае ОУ должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот. Параметры ОУ не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя. Именно на этом постулате основывается все бесконечное разнообразие схемных решений по применению ОУ.
Реальные ОУ, естественно, имеют характеристики отличные от идеальных. Поскольку схемотехнически и технологически спроектировать ОУ с хорошим приближением к идеальным всех параметров одновременно невозможно, проектировщики вынуждены идти на компромисс, отдавая предпочтение в каждом конкретном случае только одному - двум ключевым параметрам. Отсюда возникает довольно четкая классификация выпускаемых ОУ. В зависимости от поставленной задачи, оптимизированы могут быть следующие параметры:
Для ОУ с малыми входными токами - высоким входным сопротивлением.
| - Входной ток смещения (Input Bias Current), Iсм - это втекающий/ вытекающий по входам ток. Величину тока смещения рассчитывают как полусумму входных токов. Также, как правило, оговаривается допустимая разность между этими токами - ток сдвига (Input Offset Current); | - Входное сопротивление (Input Resistance), Rвх - динамическое входное сопротивление для дифференциального сигнала без ООС. Величину этого входного сопротивления можно указать лишь весьма приблизительно, поэтому для расчетов, в основном, используется параметр входного тока. |
Для прецизионных ОУ.
| - Напряжение смещения (Input Offset Voltage), Uсм.- дифференциальное (между входами) напряжение, необходимое для того, чтобы выходное напряжение ОУ стало равно нулю. Появление напряжения смещения связано с технологическими отклонениями при изготовлении ОУ, в результате чего в схеме возникает некоторая разбалансировка. Последняя приводит к тому, что при нулевом входном сигнале ОУ и соединении между собой входов, из-за большого коэффициента усиления ОУ, схема входит в насыщение, и напряжение на выходе становится близким к напряжению питания; - Температурный дрейф напряжения смещения (Offset Voltage Drift), измеряется в мкВ/oС. Показывает зависимость напряжения смещения от температуры; - Временной дрейф напряжения смещения, характеризующийся коэффициентом долговременной стабильности (Long Term Stability), измеряемый в мкВ/месяц; - Коэффициент усиления по напряжению (Open-Loop Gain), K - динамический параметр-отношение приращения выходного напряжения |
к вызвавшему его приращению дифференциального входного напряжения в схеме без обратной связи. Широко используется также статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large-Signal Voltage Gain) - отношение максимального значения выходного напряжения к вызывающему его значению входного напряжения. Измеряется в ненормированных единицах, децибелах (дБ) или В/мВ; - Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio-CMRR), Косс - отношение приращений синфазного и дифференциального входных напряжений, вызывающих одинаковое приращение выходного напряжения. Говоря проще, ОУ должен усиливать только разность входных напряжений, независимо от их абсолютной величины. Насколько это не так и показывает CMRR. Измеряется в децибелах (дБ); - Коэффициент влияния нестабильности источников питания (Power Supply Ripple Rejection - PSRR), Книп - отношение изменения напряжения питания к вызванному им изменению напряжения смещения. Измеряется в децибелах (дБ). |
Для быстродействующих ОУ(с ОС по току, с ОС по напряжению)
| - Граничная частота усиления, Fгр - значение частоты, при котором коэффициент усиления ОУ по напряжению уменьшается на 3 дБ относительно значения на средних частотах. Используется также частота единичного усиления (Unity Gain Bandwidth) - значение частоты, соответствующей падению коэффициента усиления ОУ до единицы; - Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate), Uвых определяется при подаче на вход ОУ прямоугольного импульса как отношение приращения выходного напряжения к времени, за которое произошло это приращение. Измеряется в В/мкс. Uвых зависит от многих факторов - коэффициента усиления усилителя с ООС, параметров цепей |
частотной коррекции, направления изменения выходного напряжения. Наименьшая скорость нарастания выходного напряжения получается при единичном усилении, поэтому это значение и приводят в справочных данных. С конечным значением скорости нарастания связано также убывание максимальной амплитуды выходного напряжения усилителя с ростом частоты входного сигнала; - Время установления (Settling Time), tуст - время, необходимое для достижения выходным сигналом расчетного значения с точностью до 0,1% (или другой, оговоренной). |
Для микромощных ОУ
| - Ток потребления (Total Quiescent Current) - собственный ток потребления. Параметр вполне очевидный, однако, нужно обращать внимание | на то, что в случае многоканального усилителя, ток может быть указан как для всей микросхемы в целом, так и в расчете на каждый усилитель. |
При небольшом напряжении питания <потеря> даже одного вольта, как разницы между напряжением питания и достижимым напряжением на выходе, представляется слишком расточительной. Поэтому большинство современных ОУ этого класса обладают возможностью достижения выходным сигналом полного размаха выходного напряжения в пределах напряжения питания. Такая способность называется R/R (Rail-to-Rail) выходом. Аналогично существуют и R/R входы.
Для малошумящих ОУ
Шумовые параметры ОУ в значительной степени определяют минимальный допустимый уровень входных сигналов и, в общем случае, шумы присущи всем ОУ во всех классах. В данном случае мы рассматриваем усилители для аудио применений и дополнительно приводим другие параметры, влияющие на качество передачи звукового сигнала.
| - В документации на ОУ обычно указывают приведенное к входу среднеквадратичное напряжение шумов enoise (Input Voltage Noise) в определенном диапазоне частот (как правило, 1000 Гц) и при определенном значении сопротивления источника сигнала. Измеряется данный параметр в нВ/√ Гц. | - Аналогичный смысл имеет и приведенный к входу среднеквадратичный ток шумов. - Коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distraction - THD) - показывает суммарное количество добавленных к входному сигналу гармоник, вызванных нелинейностью внутренних схем ОУ. Измеряется в процентах. |
Для мощных ОУ
Такие усилители разрабатываются для непосредственного управления нагрузкой, и львиная их доля предназначена для работы в качестве УНЧ.
| - Выходная мощность (Power Output), Рвых (Вт) - долговременная мощность, которую усилитель способен передавать в нагрузку без ухудшения оговоренных параметров. Обычно оговаривается допустимая величина нелинейных искажений и сопротивление нагрузки; - Выходной ток (Output Current), Iвых (А) - максимальный выходной ток, передаваемый в нагрузку. Часто приводится значение максимального импульсного тока, который может выдаваться в нагрузку лишь кратковременно; |
- Выходное сопротивление (Output Resistance), Rвых - динамическое сопротивление без ООС. При использовании ООС, выходное сопротивление, в зависимости от типа связи, становится пренебрежимо малым или большим, в связи с чем, большее значение имеет максимальный выходной ток или минимально допустимое сопротивление нагрузки (Ом); - Иногда специально указывается ток при коротком замыкании выхода (большинство ОУ имеют схему ограничения тока короткого замыкания). |
Для ОУ общего применения
В ряде случаев к параметрам ОУ не предъявляется особых требований. Тогда на первое место выходят экономические соображения. Как известно, цены на микросхемы в значительной степени зависят от массовости их выпуска. Применяя стандартные микросхемы, можно быть уверенным в их дешевизне и доступности.
Мы рекомендуем следующие типы ОУ общего назначения: одиночные - uA741, сдвоенные - LM358 и счетверенные - LM324. Эти усилители обладают сбалансированными параметрами и чрезвычайной распространенностью. В каждом из вышерассмотренных классов ОУ тоже есть определенные <лидеры> с экономической точки зрения. Так, в классе прецизионных ОУ, самым доступным является OP07; среди ОУ с высоким входным сопротивлением - серия TL071/2/4 - TL081/2/4; из микромощных можно рекомендовать TL061/2/4; из аудио - NE5532/34; недорогими быстродействующими (до определенной степени) можно считать OP27/37 или LF357.
В заключение стоит отметить, что столь краткий обзор не охватывает огромного числа интересных разновидностей ОУ, например программируемые ОУ, ОУ со стабилизацией прерыванием и других. Также, не является исчерпывающим и перечень рассмотренных параметров. Тем не менее, следует также обратить особое внимание на предельно допустимые параметры, некоторые из которых уже рассматривались выше. Перечислим оставшиеся:
| 1. Максимальное напряжение питания. 2. Максимальная рассеиваемая мощность. 3. Максимально допустимое входное напряжение. |
4. Длительность короткого замыкания выхода. 5. Температура выводов при пайке. |
Рабочий температурный диапазон не является в полном смысле параметром ОУ, но, как и для любых других микросхем, ограничивает область применения конкретно взятого типа.
ОУ Общего применения
Прецизионные ОУ
ОУ с малым входным током
Микромощные ОУ
Малошумящие ОУ
Быстродействующие ОУ с ОС по напряжению
Быстродействующие ОУ с ОС по току
Мощные ОУ
Программируемые ОУ
Cтатья по операционным усилителям фирмы "National Semiconductor"