Электроника и МПТ Операционные усилители (ОУ) Операционный усилитель – многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами. В иностранной литературе имеет сокращение OpAmp от английского Operational Amplifier Устаревшее обозначение ОУ (зарубежное обозначение) Условное графическое обозначение ОУ Обозначение ОУ согласно ГОСТ 2.759-82 на примере К140УД6 Упрощенное обозначение ОУ 1 Операционные усилители (ОУ) По своим параметрам и свойствам ОУ приближен к идеальному усилителю напряжения: – входное сопротивление Rвх; Назначение выводов ОУ – – – – – выходное сопротивление Rвых0; коэффициент усиления по напряжению A; идеальная симметрия; ширина полосы пропускания ; задержка выходного сигнала отн. входного tзад0. Свойства реального ОУ: • A = 103105 (Aтип = 100 000); • Rвх= 1061012 Ом (Rвх тип = 10 МОм); • Rвых = 150300 Ом (Rвых тип импорт = 75 Ом). Схема замещения ОУ 2 Операционные усилители (ОУ) Функциональная схема ОУ Обычно ОУ обладают невысокой выходной мощностью и не допускают подключение нагрузки менее 1-2 кОм. 3 Операционные усилители (ОУ) Внутренняя схема ОУ 4 Операционные усилители Основные характеристики и параметры ОУ Характеристики ОУ: • амплитудная характеристика (АХ); • амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); • фазо-частотная характеристика (ФЧХ); • переходная характеристика (ПХ). Параметры ОУ: • основные; • эксплуатационные (в т.ч. предельно-допустимые). Предельно-допустимые параметры – предельные значения эксплуатационных параметров, обеспечивающие заданные надежность и параметры ОУ. 5 Основные характеристики ОУ Амплитудная характеристика Uвых = F(Uвх) при f = const U вых A U вх 6 Основные характеристики ОУ Амплитудно-частотная характеристика A= F(f) при Um = const f1 – частота единичного усиления; fгр – граничная частота. A,дБ  20lg A A 1 10 100 1 000 10 000 100000 A, дБ 0 20 40 60 80 100 7 Основные параметры ОУ Коэффициент усиления без ОС (А) – коэффициент усиления разностного сигнала ОУ в отсутствии ООС и соответствует максимальному значению на АЧХ. U вых A U 2  U1 Aтип = 105 Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Косс) – характеризует способность дифференциального усилителя подавлять синфазный сигнал. Для идеального (полностью симметричного) ДУ при подаче на входы синфазного сигнала (одинаковой полярности) U1=U2 справедливо U  A(U  U )  0. вых 2 1 У реального ДУ невозможно обеспечить полную симметрию схемы, поэтому при равенстве входных сигналов U1=U2 на выходе U  0. вых Kосс  Kсинф 1   104  105 A A Kсинф – коэффициент усиления синфазного сигнала Kосс  60  100дБ 1 В зарубежных источниках M A K синф ,дБ M  60  100дБ 8 Основные параметры ОУ Напряжение сдвига (Uсд) – напряжение, появляющееся на выходе ОУ при закороченных входах. Напряжение смещения (Uсм, мВ) – значение постоянного напряжения, при котором выходное напряжение сдвига становится равным нулю. U сд U см  A 9 Основные параметры ОУ Входной ток (ток смещения) ОУ (Iвх,нА) – среднее значение входного тока управления транзисторами (базовые токи покоя БТ или токи утечки затворов ПТ) входного дифференциального каскада: I вх1  I вх2 I вх  2 I вх1  I вх ОУ + Токи либо втекают в ОУ, либо вытекают из ОУ. Часто на практике токи принимают равными Iвх1Iвх2 . I вх2  I вх- ОУ Наличие входных токов смещения обусловлено конечным значением входного сопротивления входного ДК. 10 Основные параметры ОУ Входное сопротивление (Rвх) – величина, равная отношению: U вх Rвх  I вх Rвх= 1061012 Ом (Rвх тип = 10 МОм) измеренная со стороны одного из входов ОУ при заземленном другом. Фактически, это сопротивление между входами ОУ, численно равное входному дифференциальному сопротивлению. Выходное сопротивление (Rвых) – отношение изменения выходного напряжения ОУ к соответствующему изменению выходного тока: Rвых  Выходное сопротивление характеристике. U вых I вых определяется по нагрузочной (внешней) Rвых = 150300 Ом (Rвых тип импорт = 75 Ом). 11 Основные параметры ОУ Параметры, определяющие частотные свойства ОУ Частота единичного усиления (f1, кГц или МГц) – частота, при которой коэффициент усиления равен 1 (точка пересечения логарифмической АЧХ с осью частот). Скорость нарастания выходного напряжения (VU, В/мкс) – характеризует скорость отклика на ступенчатое воздействие. Определяется по переходной характеристике: 0,9U 0  0,1U 0 VU  , tнар где tнар, мкс – время нарастания выходного напряжения от уровня 0,1 до 0,9 от установившегося значения. Время установления выходного напряжения (tуст, мкс) – время от момента подачи на вход импульса напряжения до момента последнего вхождения в зону заданной погрешности (1%, 0,1% или 0,01%). 12 Основные параметры ОУ Параметры температурного дрейфа Температурный дрейф напряжения смещения (Uсм, мкВ/0С) Температурный дрейф разности входного тока (Iвх, нА/0С) Эксплуатационные параметры ОУ 1. Напряжение питания ( Uпит, В) Обычно Uпит = от  5В до  18В 2. Средний потребляемый ток (Iпот, мА) 3. Потребляемая мощность (Pпот, мВт) 4. Диапазон рабочих температур (от tmin до tmax, 0С) 5. Максимальные выходное и входное напряжения в линейном режиме Например, при Uпит =  15В имеем Um вх=Um вых= 10В 6. Напряжение насыщения ОУ (Uнас,В) зависит от Uпит; величина меньше на 1-2В; технология Rail-to-rail: (Vcc- 40mV) 7. Максимальный выходной ток (Iпот, мА) Часто задается минимальным сопротивлением нагрузки Rн 13 Классификация ОУ 1. Универсальные ОУ (широкого применения) Uсм = 5÷25мВ; VU = 0,5÷5В/мкс; Iн = 2÷30мА 2. Прецизионные ОУ Uсм < 1мВ; A >100 000 3. Быстродействующие ОУ VU = 20÷150В/мкс; tуст  1мкс; f1  50МГц 4. Микромощные ОУ Iпот1мА; Uпит = (±1,5÷±3)В 5. Мощные и высоковольтные ОУ Iвых  100мА; Uвых  15В 6. Многоканальные ОУ 7. Компараторы 14 Основные компании-производители электронных компонентов 15 Основные компании-производители электронных компонентов 16 Ссылки 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. www.сhipdip.ru www.youtube.com www.analog.com www.ti.com www.maximintegrated.com www.intersil.com www.analog.com Фолкенберри Л Применения операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.-572 с., ил. 17