Путеводитель в мир электроники. Книга 2

Сегодня в технике усиления и преобразования сигналов широко используется разновидность универсальных аналоговых микросхем — операционный усилитель (ОУ). Этот вид микросхемы появился в 60-х гг. XX в. и первоначально предназначался для создания аналоговых электронно-вычислительных машин, устройств обработки радиолокационной и гидроакустической информации и других автоматических высокоточных устройств. На основе операционного усилителя были разработаны типовые схемы, благодаря применению которых можно осуществлять простейшие математические операции: сложение, вычитание, умножение, интегрирование, логарифмирование. Современная элементная база позволяет получать точность преобразований до 0,1 %.

Наращивая схемы из таких блоков, как из детского конструктора, удавалось обрабатывать сложные сигналы, преобразовывать информацию, заключенную в них. Ныне любые сигналы подвергают математической обработке уже другими методами, о которых рассказывает глава «Логика для цифрового мира».

А операционные усилители, по сути представляющие собой усилители постоянного тока, до сих пор широко выпускаются, но используются в другом качестве. На их основе можно создавать широкополосные усилители, фильтры, генераторы колебаний разной формы, элементы стабилизации, измерительные усилители и еще множество других интересных устройств. Мы не сможем рассказать о всех применениях ОУ, но основные схемотехнические идеи приведем обязательно.

Классический операционный усилитель изображен на рис. 13.8. Он имеет два входа — прямой (обозначается знаком «+») и инверсный («—» или кружочек на входной линии), выход, выводы питания, — у некоторых есть еще выводы подключения частотной коррекции (FC) и балансировки нуля (NC). Номера выводов корпуса ставятся за пределами основного контура квадрата (треугольника), а внутри квадрата имеется условный знак в виде треугольничка, который и указывает на то, что это микросхема для усиления сигналов (на основе ОУ изготавливают и другие микросхемы, например, компараторы — там условный знак будет другим).

Рис. 13.8.Типовой операционный усилитель (так его часто показывают на электрических схемах, но встречаются и другие обозначения)

На сложных схемах, чтобы не загромождать ее лишними линиями, затрудняющими чтение чертежа, иногда не указывают около корпуса питающие цепи (это бывает обозначено текстом или в виде таблицы).

Внутренняя структура такого усилителя построена на основе дифференциального каскада с несимметричной нагрузкой, подробно рассмотренного в книге 1. Поэтому ОУ и имеет два разных входа. Подав сигнал на прямой вход, мы получим совпадение фаз входного и выходного сигналов; инвертирующий вход «повернет» фазу на 180 градусов (поэтому он инвертирующим и называется).

Операционные усилители обладают высоким коэффициентом усиления напряжения — 10⁴…10⁶ раз — и, если мы подадим на любой из его входов синусоидальный сигнал, на выходе получатся прямоугольные импульсы. Чтобы микросхема работала в линейном режиме, к тому же усиливала входной сигнал не больше и не меньше, чем нам требуется, вводят отрицательную обратную связь. Как это делается, мы расскажем чуть позже.

Во многих «операционниках» имеются специальные выводы для подключения балансировочного резистора (R_бал,), который может задавать постоянный сигнал на выходе микросхемы.

Зачем? Любой реальный ОУ имеет небольшое смещение нуля на входе (единицы или десятки милливольт), и, усилившись, это смещение может превратиться на выходе в значительную величину. Например, для популярного ОУ типа КР544УД2А напряжение смещения составляет 30 мВ, а коэффициент усиления по напряжению — 2·10⁴ (без ООС). На выходе теоретически мы получим постоянную составляющую, равную 60 В, а практически она будет ограничена напряжением питания 15 В. ОУ без обратной связи используются реже, чем ОУ, охваченные ООС но все равно, даже при типичных коэффициентах усиления 10…1000 смещение сигнала на выходе может был довольно большим. Чтобы устранить его, вращают переменный балансировочный резистор.

Рис. 13.9.Принцип работы операционного усилителя

Теперь о частотных свойствах операционных усилителей. ОУ без обратной связи не снижает амплитуду сигнала на выходе только при очень небольших значениях частоты. Затем, — с повышением частоты, усиление начинает падать из-за частотных свойств внутренних транзисторов. На определенной частоте f₁, называемой граничной частотой усиления, сигнал перестает усиливаться по напряжению, т. е. К_U = 1 (см. рис. 13.10), — ее еще называют частотой единичного усиления (именно об этом говорит индекс 1).

Рис. 13.10.Определение частоты граничного усиления

Равномерной полосы усиления добиваются за счет снижения коэффициента усиления (введение обратной связи). Частота f₁ нормируется в справочниках.