Прообразом современных интегральных операционных усилителей (ОУ) послужил μA702, созданный Робертом Видларом (Robert John Widlar) в компании Fairchild Semiconductor в 1965 г. Также знаковым этапом в развитии интегральных ОУ стал μA741 — первый ОУ с встроенной частотной коррекцией. Он оказался настолько удачной разработкой, что версии этой микросхемы производятся до сих пор. Впоследствии появилось еще множество типов ОУ, и их совершенствование постоянно продолжается.
Сегодня на рынке немало вариантов ОУ, описать их все в нашем коротком обзоре невозможно, поэтому рассмотрим только линейные ОУ с обратной связью по напряжению, оставив за рамками обзора ОУ с обратной связью по току, иногда их называют трансимпедансными ОУ, логарифмические и дифференциальные ОУ, каждый из которых имеет свою специфику. Также по причине ограниченного объема обзора мы не сможем описать все без исключения параметры ОУ и множество схем его применения. Но постараемся упомянуть основные особенности и базовые схемы.
Классификация ОУ
ОУ представляет собой сложный электронный компонент, работа которого описывается многими параметрами. Универсального ОУ, одинаково пригодного для всех случаев, не существует. Производители выпускают специализированные усилители, отвечающие требованиям конкретных областей применения. Классификация ОУ у разных производителей может немного различаться, но в общем случае она выглядит следующим образом:
- ОУ общего применения;
- ОУ с малым энергопотреблением (микромощные ОУ);
- ОУ с низкими входными токами (электрометрические ОУ);
- прецизионные ОУ;
- ОУ с низким уровнем шума;
- высокоскоростные ОУ.
ОУ общего применения отличаются низкой стоимостью и невыдающимися параметрами, они используются в схемах, где не предъявляются особые требования по точности и быстродействию, не нужно работать с микровольтовыми сигналами и энергопотребление не ставится во главу угла.
ОУ с малым энергопотреблением используются в системах батарейного питания. В таких системах важно снизить энергопотребление до минимума, чтобы продлить срок службы батарей. К микромощным ОУ причисляют усилители с собственным потреблением не более 0,5–1 мА. В ряде случаев желательно, чтобы у таких ОУ был предусмотрен режим выключения (shutdown), при котором выходной каскад переводится в высокоимпедансное состояние. В этом случае ток потребления можно снизить до нескольких микроампер или даже менее 1 мкА.
ОУ с низкими входными токами используются, когда внутреннее сопротивление источника сигнала, поступающего на вход ОУ, достигает многих сотен мегаом или нескольких гигаом. Входные токи электрометрических ОУ измеряются единицами пикоампер.
Для прецизионных ОУ важны высокая точность и повторяемость результатов. Чтобы обеспечить эти характеристики, требуется выбрать ОУ с высоким коэффициентом усиления, малым напряжением смещения VOS и низким температурным дрейфом напряжения смещения. В зависимости от схемы может понадобиться высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).
ОУ с низким уровнем шума востребованы в схемах с микровольтовым уровнем сигнала. Спектральная плотность шума в таких случаях не должна превышать 10 нВ/√Гц. Полоса пропускания высокоскоростных ОУ должна быть не менее 50 МГц, поскольку они используются в схемах, где требуется широкая полоса частот.
Следует понимать, что производственные технологии совершенствуются и приведенная выше классификация достаточно условна. Например, прецизионные ОУ, как правило, имеют низкий уровень шума. А электрометрические ОУ могут по параметрам частично совпадать с прецизионными ОУ.
Кроме того, ОУ различаются по технологии изготовления:
- биполярные ОУ;
- КМОП ОУ;
- биполярные ОУ с входным КМОП-каскадом.
По биполярной технологии производятся высокоскоростные ОУ и усилители с повышенным напряжением питания. Также эта технология обеспечивает малое напряжение смещения VOS, низкий температурный дрейф и отличное подавление синфазного напряжения.
КМОП ОУ обеспечивают низкое напряжение питания, малое энергопотребление и размах сигнала, равный напряжению питания (rail-to-rail). Также эти усилители имеют минимальный входной ток, вплоть до сотен пикоампер. Попытка взять лучшее от обеих технологий привела к созданию биполярных ОУ с входным КМОП-каскадом, но сегодня такие усилители встречаются нечасто.
Идеальный ОУ и основные расчетные соотношения
Рис. 1. Общий принцип построения ОУ
Несмотря на то, что схемотехника ОУ довольно разнообразна, в них может содержаться от нескольких десятков до нескольких сотен транзисторов, а параметры ОУ могут существенно различаться, общий принцип их построения неизменен для всех вариаций (рис. 1). Многие параметры ОУ зависят от входного дифференциального каскада, упрощенная схема которого приведена на рис. 2. Как видно из рисунка, на вход каскада подаются два сигнала, с которыми и совершаются математические операции. Отсюда и название — операционный усилитель.
Рис. 2. Упрощенная схема входного дифференциального каскада ОУ
Рис. 3. Базовые схемы включения ОУ
Один из входов ОУ является инвертирующим, другой — неинвертирующим. На рис. 3 приведены базовые схемы включения ОУ, опираясь на которые, мы постараемся разъяснить особенности применения ОУ и их основные параметры. Для вычисления коэффициента усиления схем на рис. 3 используется модель идеального ОУ с бесконечным коэффициентом усиления AOL (OL, Open Loop — разомкнутая петля обратной связи) и бесконечным входным импедансом. Из этих допущений следует три соотношения:
V+ = V– (1)
I+ = I– = 0 (2)
ZВЫХ = 0 (3)
Где: I+ — входной ток неинвертирующего входа; I– — входной ток инвертирующего входа; V+ — напряжение на неинвертирующем входе; V– — напряжение на инвертирующем входе; ZВЫХ — выходной импеданс ОУ.
Исходя из соотношений (1) и (2) легко получить значение коэффициента усиления АCL (CL, Close Loop — замкнутая петля обратной связи) для схем на рис. 3. Для инвертирующего усилителя (рис. 3а) в соответствии с (2) получаем:
VВХ/R1 + VВЫХ/R2 = 0
АCL = VВЫХ/VВХ = –R2/R1 (4)
Для неинвертирующего включения ОУ (рис. 3б) из условия (1) запишем:
VВЫХ * [R1/(R1 + R2)] = VВХ (5)
АCL = VВЫХ/VВХ = 1 + (R2/R1) (6)
Для схемы с дифференциальным включением (рис. 3в) исходя из (1) имеем:
V+ = VВХ2 * [R4/(R3 + R4)] (7)
I1 = (VВХ1 – V+)/R1
VВЫХ = V+ – I1 * R2 = VВХ2 * {[R4 * (R1 + R2)]/[R1 * (R3 + R4)]} – VВХ1 * R2/R1 (8)
При усилении дифференциального сигнала обычно выполняется соотношение (R1/R2) = (R3/R4). В этом случае соотношение (5) принимает вид:
VВЫХ = (VВХ2 – VВХ1) * (R2/R1) (9)
Обратите внимание: в инвертирующем включении (рис. 3а), в соответствии с условием (1), напряжение на входах ОУ V+ = V– = 0 В. При неинвертирующем и дифференциальном включении (рис. 3б и 3в) напряжение на входах ОУ отлично от нуля и определяется соотношениями (5) и (7), но при этом по-прежнему выполняется условие (1). Напряжение, описываемое соотношениями (5) и (7), называется синфазным напряжением VCC. При инвертирующем включении ОУ VCC = 0.
Несмотря на принятые выше допущения (1), (2) и (3), при корректном выборе ОУ полученные для коэффициентов усиления соотношения (4), (6) и (9) можно использовать на практике для подавляющего большинства случаев. Если вместо резисторов R1–R4 применяются более сложные цепи, расчет передаточных функций также выполняется исходя из допущений (1), (2) и (3), при этом в формулах (4), (6), (9) вместо сопротивлений R1–R4 используются импедансы Z1–Z4 соответствующих цепей.
Параметры реального ОУ
В реальном ОУ коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью AOL хоть и очень велик, но все же конечен, из-за чего выражение коэффициента усиления реального ОУ с замкнутой обратной связью А CLR принимает следующий вид:
АCLR = АCL/[1 + (AOL/АCL)] (10)
При корректном выборе ОУ ошибка усиления будет невелика. Например, при АCL = 10 и AOL = 100 000 получим АCLR = 0,9999АCL.
Даже самая совершенная производственная технология не позволяет изготовить абсолютно одинаковые транзисторы в дифференциальном входном каскаде (рис. 2). Поэтому при одинаковом входном напряжении на выходе дифференциального каскада имеется напряжение смещения VOS, которое приведет к появлению нежелательного выходного напряжения VВЫХ = АCL * VOS. Высокий температурный дрейф напряжения приведет к нарушению повторяемости результатов измерения, что недопустимо для прецизионных схем.
Если требуется получить очень высокую точность, рекомендуем использовать ОУ с автоматической компенсацией смещения, которые функционально представляют собой систему из нескольких усилителей. Их стоимость довольно высока, но у них нет альтернативы, если требуется добиться очень высокой точности повторяемости результатов измерения.
Еще одним источником ошибки может стать синфазное напряжение VCC, о котором мы писали выше. При неинвертирующем включении (рис. 3б) выполняется соотношение VВХ = VCC. Реальный ОУ не только усиливает входное напряжение VВХ, но и передает с выхода на вход напряжение VCC, при этом ослабляя его в КОСС (в англоязычной транскрипции CMRR) раз. Таким образом, выходное напряжение определится из соотношения (11):
VВЫХ = АCL * [VВХ + (VВХ/КОСС)] (11)
В современных ОУ КОСС варьируется в пределах 60–120 дБ. Необходимо учесть, что КОСС зависит от частоты: примерный вид зависимости приведен на рис. 4. Обычно производители приводят подобный график в документации.
Рис. 4. Зависимость КОСС от частоты
Оказывает влияние на работу ОУ и напряжение питания: его изменение сказывается на входном напряжении смещения VOS. Ослабление влияния напряжение питания на работу ОУ характеризуется коэффициентом ослабления нестабильности питания (КОНИП), в англоязычной литературе – PSRR. КОНИП определяется следующим образом:
КОНИП = Δ(VCС)/Δ(VOS) (12)
Рис. 5. Зависимость КОНИП от частоты
Так же, как КОСС, КОНИП зависит от частоты. Примерный вид такой зависимости показан на рис. 5. К сожалению, далеко не всегда производители указывают значение КОНИП и приводят его график. Учтите, что приведенная зависимость справедлива при синусоидальном изменении напряжения питания. «Иголки» и «пички» на шинах питания подавляются гораздо хуже и легко «пролезают» на вход, поэтому топология шин питания имеет очень большое значение при разработке печатной платы.
Рис. 6. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ
При выборе ОУ обязательно нужно обращать на его динамические характеристики. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ схематично изображены на рис. 6. В документации производитель указывает границу полосы единичного усиления (GBW в англоязычной литературе). Вернемся к формуле (10) и уточним, что погрешность усиления зависит от частоты сигнала.
Еще одним важным динамическим параметром является скорость нарастания SR выходного сигнала ОУ. Она определяет полосу пропускания большого сигнала. Величина SR определяется из простого соотношения:
SR = Δ(VВЫХ)/Δt (13)
SR выражается в В/нс.
Полоса пропускания большого сигнала BWLS определяется из формулы:
BWLS = SR/(0,707 * 2π * VPLS) (14)
Где: VPLS – амплитуда большого сигнала.