НеииВерсный Вход

Рис. 2.2. Корпусы и цоколевки операционного усилителя.

-.8-контактный круглый корпус (ТО-99), вид сверху; б - 14-контактный корпус DIP ГО-116). вид сверху; в - 10-контактный плоский корпус (ТО-9!). вид сверху. Нп означает не подключен .

2.1. Выводы операционного усилителя

На принципиальных схемах ОУ рисуют в виде наконечника стрелы, как показано на рис. 2.2. Наконечник символизирует усиление и показывает направление со входа на выход.

2.1.1. Выводы питания. Те выводы ОУ, около которых на схемах стоят обозначения +U и -U, должны подключаться к источнику питания (рис. 2.3 и приложения 1 и 2). Обратите внимание на то.

Рис. 2.3. Подключение источника питания и нагрузки к ОУ.

ЧТО источник питания имеет три зажима (положительный, отрицательный и общий заземляющий). Такой тип источника называется источником с расщепленным питанием; типичные значения напряжений источника составляют ±15, ±12 и ±6 В. Для ОУ специального назначения может потребоваться несимметричное питание, например +il2 и -6 В, или даже однополярное питание, например + 30 В и земля. Обратите внимание на то, что в схеме рис. 2.3 земля не подключена к ОУ. Токи, возвращающиеся от ОУ к источнику питания, проходят через внешние (навесные) элементы схемы, в данном случае через сопротивление нагрузки iR .

Типичное значение максимального напряжения, которое можно приложить между выводами +(7 и -U, составляет 36 В (т. е, ±18 В).

2.1.2, Вывод выхода. На рис. 2.3 выходной вывод ОУ соединен с одним из выводов резистора нагрузки Ни. Второй вывод Rh подключен к земле. Выходное напряжение f/вых измеряется относительно земли. Поскольку ОУ имеет только один вывод выхода.

Очень малая доля этих токов про.ходит через сопротинления между входами и землей (токи смещения). - Прим. ред.

про него говорят, что он имеет несимметричный выход. Ток, который можно получить с выхода ОУ, ограничен некоторым значением, обычно порядка 5-10 мА. Существуют также ограничения на уровни выходного напряжения; они определяются напряжениями питания и выходными транзисторами {Tie и Тп на рис. 2.1). (См. также Зависимость шкалы выхода от напряжений питания в приложении 1.) Чтобы эти транзисторы работали не как ключи, а как усилительные приборы, падение напряжения коллектор - эмиттер должно составлять 1-2 В. Таким образом, выходное напряжение может увеличиваться до (-ft/ -2) В в положительном и до {-U +2) В в отрицательном направлении. Верхний предел Ивых называется положительным напряжением насыщения ( + /нас), а нижний - отрицательным напряжением насыщения (-Ипгс). Например, при напряжении питания ±15 В +Uhzz = = + 13 В и -/нас=-13 В. Двойная амплитуда t/вых, следовательно, ограничена в пределах ±13 В. Оба предела - по току и по напряжению - устанавливаются при минимальном сопротивлении нагрузки Rh, равном 2 кОм.

Некоторые ОУ, такие, как, например, ОУ 741, имеют встроенный схемный узел, автоматически ограничивающий выходной ток. Даже при коротком замыкании выхода на землю выходной ток ограничивается приблизительно на уровне 25 мА, как указано в приложении 1. Это предотвращает выход ОУ из строя при его коротком замыкании. Обычно на схемах не приводят полного изображения выходной цепи каждого ОУ с батареями питания; вместо этого используется упрощенное изображение, представленное на рис. 2.4.

2.1.3. Входные выводы. На рис. 2.4 показаны два входных вывода, помеченные знаками ( + ) и (-). Они называются дифференциальными (разностными) входными выводами, так как выходное напряжение /ых зависит от разности напряжений на них £д и коэффициента усиления К усилителя. На рис. 2.4, а видно, что выходное напряжение положительно относительно земли, когда напрялдате на входе ( + ) положительно по отношению к напряжению на входе (-). При смене полярности (рис. 2.4,6), когда напряжение на входе ( + ) отрицательно по отношению к напряжению на вхо.ае (-), t/вых по отношению к земле становится отрицательным.

Из рассмотрения рис. 2.4 мы делаем вывод, что полярность выходного напряжения совпадает с полярностью напряжения на входе (-f) [по отношению к напряжению на входе (-)] и противоположна или инверсна полярности напряжения на входе (-) [относительно напряжения на входе { + )}. Поэтому вход (-) обозначается как инверсный вход, а вход ( + ) - как неинверсный вход (приложение 1).

Принцип действия операционного усилителя +1/

t-

Рис 2 4 Зависимость полярности Увых от полярности дифференциального входного напряжения Ед.

Важно подчеркнуть тот факт, что полярность f/пых зависит только от разности напряжений на инверсном и неинверсном входах. Это разностное напряжение можно определить как £д=Напряжение на входе (+) - -Напряжение на входе (-). (2-)

Знак £д говорит нам, во-первых, о полярности напряжения на входе ( + ) относительно напряжения на входе (-) и, во-вторых, о полярности выходного напряжения относительно земли. Данное выражение справедливо как при заземленном инверсном или неин-

версном входе, так и в том случае, когда потенциалы обоих входов выше или ниже потенциала земли. Еще одна важная особенность входной цепи -высокое значение полного сопротивления между входами, а также между каждым из входов и землей.

2.2. Усиление по напряжению без обратной связи 2.2.1. Определение. Обратимся к рис. 2.4. Если входное дифференциальное напряжение достаточно мало, то выходное напряжение t/nbix будет определяться напряжением и коэффициентом усиления по напряжению без обратной связи К. Этот коэффициент усиления называется так потому, что возможное подключение цепей обратной связи с выхода на входные зажимы в данном случае не производится. Таким образом, в идеальном случае Ьвых выражается простым соотношением:

вых=£д. (2.2)

-2.2.2. Дифференциальное входное напряжение д. Величина К чрезвычайно велика; часто она составляет 200 ООО и более. Напомним, что в соответствии с изложенным в разд. 2.1.2 С/вых в любом случае не может выйти за пределы положительного +f/Hac или отрицательного -Unac напряжений насыщения. При питании ±15 В напряжения насыщения будут равны приблизительно ±13 В. Таким образом, для того чтобы ОУ действовал как усилитель, должно быть в пределах ±65 мкВ. Этот вывод следует из Зфавнения (2.2):

+г; зс 13 В g

F =-

С- -нас

-д.макс

-t/нас

200000 -13Д

200 000

= -65 мкВ.

Зафиксировать напряжение 65 мкВ в условиях лаборатории или производства трудно, поскольку в типичном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевого фона и напряжения от токов утечки могут превысить 1 мВ (1000 мкВ). Измерение очень больших коэффициентов усиления поэтому является трудной задачей. Помимо всего прочего, в ОУ имеется некоторая внутренняя асимметрия, которая проявляется как смещение уровня входного напряжения; величина этого сдвига может также превышать £д. Это напряжение сдвига будет рассмотрено в гл. 9.

2.2.3. Выводы. Из приведенных выше кратких замечаний следуют три вывода. Во-первых, f/вых в схеме рис. 2.4 либо будет иметь одно из предельных значений +/иас и -t/нас, либо будет колебаться между этими предельными значениями. Это не должно вызывать беспокойства, так как такое поведение обычно для усилителя с большим коэффициентом усиления. Во-вторых, чтобы Uewx оставалось между этими предельными значениями, в схему необходи-

МО ввести обратную связь, которая вынудит U

вых зависеть от стабильных прецизионных элементов (например, резисторов) и от напряжения генератора сигналов, а не от /С и д.

Последний и самый важный вывод заключается в том, что, если Ер, настолько мало, что его трудно измерить, для всех практических целей можно считать Ец равным нулю. Этот вывод нетривиален. В дальнейшем мы будем часто использовать тот факт, что £д 0, если С/вых не равно напряжениям насыщения. Скажем это по-иному: если С/вых не равно напряжениям насыщения, то потенциал входа ( + ) приблизительно равен потенциалу входа (-). Ограничившись тем, что было CK?v3aHO об ОУ, мы можем разобраться, как работает компаратор. В схеме компаратора ОУ работает не как усилитель, а как устройство, сигнализирующее о том, когда неизвестное напряжение ниже, выше или точно равно заданному опорному напряжению. Прежде чем изучать компаратор, рассмотрим пример, иллюстрирующий изложенные выше положения.

Пример 2.1. На рис. 2.4 + t/=15 В, -{/=-15 В, +t/ ac=13 В, -[/ =с= =-13 В и /(=200 000. В предположении идеальных условий работы схемы найти величину и полярность Оых для каждого из следующих значении входных напряжений, измеренных относительно земли.

Решение. Полярность {/вых совпадает с полярностью напряжения на входе (+) относительно напряжения на входе (-). Напряжение на входе ( + ) более отрицательно, чем напряжение на входе (-) в случаях пп. а, г н д. Это следует из выражения (2.1), и в указанных случаях t/вых будет отрицательным. Из соотношения (2.2) следует, что величина t/вых в К раз больше разности между напряжениями на входе (+) и входе {-). Однако, если Я£д будет больше, чем +U или -U, как в случаях пп. дне, t/вых должно остановиться на уровне +t/ ac или -{/нас. Проведенные вычисления сведены в следующую таблицу: