Операционный усилитель

Усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входом

Операционный усилитель (часто операционный усилитель или операционный усилитель ) представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления , связанный по постоянному току, с дифференциальным входом и, обычно, несимметричным выходом. ^[1] В этой конфигурации операционный усилитель создает выходной потенциал (относительно земли цепи), который обычно в 100 000 раз превышает разность потенциалов между его входными клеммами. Операционный усилитель берет свое начало и название от аналоговых компьютеров , где они использовались для выполнения математических операций в линейных, нелинейных и частотно-зависимых схемах.

Популярность операционного усилителя в качестве строительного блока аналоговых схем обусловлена ​​его универсальностью. При использовании отрицательной обратной связи характеристики схемы операционного усилителя, его усиление, входное и выходное сопротивление , полоса пропускания и т. д. определяются внешними компонентами и мало зависят от температурных коэффициентов или технических допусков в самом операционном усилителе.

Сегодня операционные усилители широко используются в электронных устройствах, включая широкий спектр потребительских, промышленных и научных устройств. Многие стандартные операционные усилители на интегральных схемах стоят всего несколько центов; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США в небольших количествах. ^[2] Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем .

Операционный усилитель представляет собой один из типов дифференциальных усилителей . Другие типы дифференциальных усилителей включают полностью дифференциальный усилитель (операционный усилитель с дифференциальным, а не несимметричным выходом), инструментальный усилитель (обычно состоящий из трех операционных усилителей), изолирующий усилитель (с гальванической развязкой между входом и выходом), и усилитель с отрицательной обратной связью (обычно состоящий из одного или нескольких операционных усилителей и сети резистивной обратной связи).

Операция

ОУ без отрицательной обратной связи (компаратор)

Дифференциальные входы усилителя состоят из неинвертирующего входа (+) с напряжением V ₊ и инвертирующего входа (−) с напряжением V ₋ ; в идеале операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением . Выходное напряжение операционного усилителя V _out определяется уравнением

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}),}$

где A _OL - коэффициент усиления усилителя с разомкнутым контуром (термин «разомкнутый контур» относится к отсутствию внешней петли обратной связи от выхода ко входу).

Разомкнутый усилитель

Величина A _OL обычно очень велика (100 000 или более для операционных усилителей на интегральных схемах), и поэтому даже весьма небольшая разница между V ₊ и V _- приводит усилитель к ограничению или насыщению . Величина A _OL плохо контролируется производственным процессом, поэтому нецелесообразно использовать усилитель с разомкнутым контуром в качестве автономного дифференциального усилителя .

Без отрицательной обратной связи и, возможно, положительной обратной связи для регенерации операционный усилитель действует как компаратор . Если инвертирующий вход удерживается на земле (0 В), а входное напряжение V _{, приложенное} к неинвертирующему входу, положительное, выходное напряжение будет максимально положительным; если V _in отрицательно, выход будет максимально отрицательным. Поскольку обратной связи между выходом и входом нет, это схема с разомкнутым контуром, действующая как компаратор .

Усилитель с обратной связью

ОУ с отрицательной обратной связью (неинвертирующий усилитель)

Если требуется предсказуемая работа, используется отрицательная обратная связь путем подачи части выходного напряжения на инвертирующий вход. Обратная связь с обратной связью значительно снижает коэффициент усиления схемы. Когда используется отрицательная обратная связь, общий коэффициент усиления и отклик схемы определяются в первую очередь цепью обратной связи, а не характеристиками операционного усилителя. Если цепь обратной связи состоит из компонентов, значения которых малы по сравнению с входным сопротивлением операционного усилителя, значение отклика разомкнутого контура операционного усилителя A _OL не оказывает серьезного влияния на характеристики схемы. В этом контексте высокий входной импеданс на входных клеммах и низкий выходной импеданс на выходных клеммах являются особенно полезными характеристиками операционного усилителя.

Отклик схемы операционного усилителя с его входом, выходом и цепями обратной связи на вход математически характеризуется передаточной функцией ; Разработка схемы операционного усилителя с желаемой передаточной функцией находится в области электротехники . Передаточные функции важны в большинстве приложений операционных усилителей, например, в аналоговых компьютерах .

В неинвертирующем усилителе справа наличие отрицательной обратной связи через делитель напряжения R _f , R _g определяет коэффициент усиления замкнутого контура A _CL  = V _out / V _in . Равновесие будет установлено, когда V _out будет достаточным для того, чтобы установить на инвертирующем входе то же напряжение, что и V _in . Таким образом, коэффициент усиления по напряжению всей схемы составляет 1 + R _f / R _g . В качестве простого примера: если V _in  = 1 V и R _f  = R _g , V _out будет равняться 2 В, то есть ровно столько, сколько необходимо для поддержания V ₋ на уровне 1 В. Из-за обратной связи, обеспечиваемой сетью R _f , R _g , это замкнутая схема.

Другой способ анализа этой схемы предполагает следующие (обычно верные) предположения: ^[3]

1. Когда операционный усилитель работает в линейном (т. е. не насыщенном) режиме, разница в напряжении между неинвертирующим (+) и инвертирующим (-) выводами пренебрежимо мала.
2. Входное сопротивление контактов (+) и (-) намного больше, чем другие сопротивления в цепи.

Входной сигнал V _in появляется на контактах (+) и (-) согласно предположению 1, в результате чего ток i через R _g равен V _in / R _g :

$${\displaystyle i={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}}$$

Поскольку закон Кирхгофа гласит, что из узла должен выходить тот же ток, что и входить в него, и поскольку импеданс вывода (-) близок к бесконечности согласно предположению 2, мы можем предположить, что практически весь тот же ток i течет через R _f , создавая выходное напряжение

$${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+iR_{\text{f}}=V_{\text{in}}+\left({\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}R_{\text{f}}\right)=V_{\text{in}}+{\frac {V_{\text{in}}R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}\right)}$$

Комбинируя члены, мы определяем коэффициент усиления замкнутого контура A _CL :

$${\displaystyle A_{\text{CL}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}=1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}}$$

Характеристики операционного усилителя

Идеальные операционные усилители

Эквивалентная схема операционного усилителя, моделирующая некоторые резистивные неидеальные параметры.

Обычно считается, что идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики: ^{[4] [5] [6]}

• Бесконечный коэффициент усиления разомкнутого контура G = v _out / v _in
• Бесконечное входное сопротивление R _in , поэтому входной ток равен нулю.
• Напряжение смещения нулевого входного сигнала
• Бесконечный диапазон выходного напряжения
• Бесконечная полоса пропускания с нулевым фазовым сдвигом и бесконечной скоростью нарастания напряжения
• Нулевой выходной импеданс R _out и, следовательно, бесконечный диапазон выходного тока.
• Нулевой шум
• Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
• Бесконечный коэффициент отклонения источника питания .

Эти идеалы можно резюмировать двумя золотыми правилами :

1. В замкнутом контуре выход делает все необходимое, чтобы разность напряжений между входами была равна нулю.
2. Входы потребляют нулевой ток. ^{[7] : 177}

Первое правило применяется только в обычном случае, когда операционный усилитель используется в схеме с обратной связью (отрицательная обратная связь, когда существует своего рода путь прохождения сигнала, возвращающийся от выхода к инвертирующему входу). Эти правила обычно используются в качестве хорошего первого приближения для анализа или проектирования схем операционных усилителей. ^{[7] : 177}

Ни один из этих идеалов не может быть полностью реализован. Реальный операционный усилитель можно смоделировать с не бесконечными или ненулевыми параметрами, используя эквивалентные резисторы и конденсаторы в модели операционного усилителя. Затем разработчик может включить эти эффекты в общую производительность конечной схемы. Некоторые параметры могут оказать незначительное влияние на окончательный проект, в то время как другие представляют собой фактические ограничения конечной производительности.

Настоящие операционные усилители

Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели по различным аспектам.

Конечный выигрыш

В реальных операционных усилителях коэффициент усиления в разомкнутом контуре ограничен. Типичные устройства имеют коэффициент усиления по постоянному току в разомкнутом контуре, превышающий 100 000. Пока коэффициент усиления обратной связи (т. е. произведение коэффициентов усиления в разомкнутом контуре и обратной связи) очень велик, коэффициент усиления в замкнутом контуре будет полностью определяться величиной отрицательной обратной связи (т. е. он будет независим от коэффициента усиления в разомкнутом контуре). ). В приложениях, где коэффициент усиления замкнутого контура должен быть очень высоким (приближающимся к коэффициенту усиления разомкнутого контура), коэффициент усиления обратной связи будет очень низким, а низкий коэффициент усиления контура в этих случаях приводит к неидеальному поведению схемы.

Ненулевое выходное сопротивление

Низкий выходной импеданс важен для низкоомных нагрузок; для этих нагрузок падение напряжения на выходном сопротивлении эффективно снижает коэффициент усиления в разомкнутом контуре. В конфигурациях с отрицательной обратной связью, чувствительной к напряжению, выходное сопротивление усилителя эффективно снижается; таким образом, в линейных приложениях схемы на операционных усилителях обычно имеют очень низкий выходной импеданс.

Выходы с низким импедансом обычно требуют высокого тока покоя (т. е. холостого хода) в выходном каскаде и будут рассеивать больше мощности, поэтому в маломощных конструкциях можно намеренно жертвовать низким выходным импедансом.

Конечные входные сопротивления

Дифференциальное входное сопротивление операционного усилителя определяется как сопротивление между двумя его входами; входное сопротивление синфазного сигнала — это сопротивление каждого входа относительно земли. Операционные усилители с MOSFET -входом часто имеют схемы защиты, которые эффективно замыкают накоротко любые входные разности, превышающие небольшой порог, поэтому в некоторых тестах входное сопротивление может оказаться очень низким. Однако, пока эти операционные усилители используются в типичном приложении с отрицательной обратной связью с высоким коэффициентом усиления, эти схемы защиты будут неактивны. Входные токи смещения и утечки, описанные ниже, являются более важными параметрами конструкции для типичных применений операционных усилителей.

Входная емкость

Дополнительный входной импеданс из-за паразитной емкости может стать критической проблемой при работе на высоких частотах, поскольку он снижает входной импеданс и может вызвать фазовые сдвиги.

Входной ток

Из-за требований к смещению или утечки на входы течет небольшое количество тока ^{[nb 2]} . Когда в цепи используются высокие сопротивления или источники с высоким выходным сопротивлением, эти небольшие токи могут вызывать падения напряжения. Если входные токи согласованы и импедансы на обоих входах совпадают, то напряжения, создаваемые на каждом входе , будут равны. Поскольку операционный усилитель работает на разнице между своими входами, эти согласованные напряжения не будут иметь никакого эффекта. Чаще всего входные токи слегка не совпадают. Разница называется входным током смещения, и даже при согласованных сопротивлениях может быть создано небольшое напряжение смещения (отличное от входного напряжения смещения, приведенного ниже). Это напряжение смещения может создавать смещения или дрейф в операционном усилителе.

Входное напряжение смещения

Напряжение, необходимое на входных клеммах операционного усилителя, чтобы свести выходное напряжение к нулю. ^{[8] [nb 3]} В идеальном усилителе не было бы входного напряжения смещения. Однако он существует из-за несовершенства входного каскада дифференциального усилителя операционных усилителей. Входное напряжение смещения создает две проблемы: во-первых, из-за высокого коэффициента усиления по напряжению усилитель практически гарантирует, что выходной сигнал усилителя войдет в насыщение, если он работает без отрицательной обратной связи, даже когда входные клеммы соединены вместе. Во-вторых, в конфигурации с замкнутым контуром и отрицательной обратной связью входное напряжение смещения усиливается вместе с сигналом, и это может создать проблему, если требуется высокоточное усиление постоянного тока или если входной сигнал очень мал. ^{[номер 4]}

Синфазное усиление

Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя входами, полностью подавляя все напряжения, общие для обоих. Однако дифференциальный входной каскад операционного усилителя никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторой степени усиления этих общих напряжений. Стандартная мера этого дефекта называется коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR). Минимизация синфазного усиления важна в неинвертирующих усилителях, работающих с высоким коэффициентом усиления.

Отказ источника питания

Выход идеального операционного усилителя не будет зависеть от колебаний напряжения источника питания. Каждый реальный операционный усилитель имеет конечный коэффициент подавления источника питания (PSRR), который отражает, насколько хорошо операционный усилитель может препятствовать распространению шума в источнике питания на выход. С увеличением частоты помехи по питанию обычно ухудшаются.

Температурные эффекты

Производительность и свойства усилителя обычно в некоторой степени меняются при изменении температуры. Температурный дрейф входного напряжения смещения особенно важен.

Дрифт

Реальные параметры операционного усилителя могут медленно меняться с течением времени, а также при изменении температуры, входных условий и т. д.

Ограниченная полоса пропускания

Все усилители имеют ограниченную полосу пропускания. В первом приближении операционный усилитель имеет частотную характеристику интегратора с коэффициентом усиления. То есть коэффициент усиления типичного операционного усилителя обратно пропорционален частоте и характеризуется произведением коэффициента усиления на полосу пропускания (GBWP). Например, операционный усилитель с GBWP 1 МГц будет иметь коэффициент усиления 5 на частоте 200 кГц и коэффициент усиления 1 на частоте 1 МГц. Этот динамический отклик в сочетании с очень высоким коэффициентом усиления по постоянному току операционного усилителя придает ему характеристики фильтра нижних частот первого порядка с очень высоким коэффициентом усиления по постоянному току и низкой частотой среза, что определяется соотношением GBWP, деленным на коэффициент усиления по постоянному току.

Ограниченная полоса пропускания операционного усилителя может быть источником нескольких проблем, в том числе:

Стабильность

С ограничением полосы пропускания связана разность фаз между входным сигналом и выходом усилителя, которая может привести к колебаниям в некоторых цепях обратной связи. Например, синусоидальный выходной сигнал, предназначенный для деструктивного воздействия на входной сигнал той же частоты, будет создавать конструктивные помехи, если его задержать на 180 градусов, образуя положительную обратную связь . В этих случаях цепь обратной связи можно стабилизировать посредством частотной компенсации , что увеличивает запас по коэффициенту усиления или фазе разомкнутой схемы. Разработчик схемы может реализовать эту компенсацию снаружи с помощью отдельного компонента схемы. Альтернативно, компенсация может быть реализована внутри операционного усилителя с добавлением доминирующего полюса , который достаточно ослабляет высокочастотное усиление операционного усилителя. Расположение этого полюса может быть установлено производителем или настроено разработчиком схемы с использованием методов, специфичных для операционного усилителя. В целом, компенсация частоты доминирующего полюса еще больше уменьшает полосу пропускания операционного усилителя. Когда желаемый коэффициент усиления с обратной связью высок, частотная компенсация операционного усилителя часто не требуется, поскольку требуемый коэффициент усиления с разомкнутым контуром достаточно мал; следовательно, приложения с высоким коэффициентом усиления с обратной связью могут использовать операционные усилители с более высокой полосой пропускания.

Искажение и другие эффекты

Ограниченная полоса пропускания также приводит к уменьшению обратной связи на более высоких частотах, создавая более высокие искажения и выходное сопротивление при увеличении частоты.

Типичные недорогие операционные усилители общего назначения имеют GBWP в несколько мегагерц. Существуют специальные и высокоскоростные операционные усилители, которые могут достигать GBWP в сотни мегагерц. Для очень высокочастотных цепей часто используют операционный усилитель с токовой обратной связью .

Шум

Усилители по своей природе выдают шум, даже если на него не подается сигнал. Это может быть связано с внутренним тепловым шумом и фликкер-шумом устройства. Для приложений с высоким коэффициентом усиления или широкой полосой пропускания шум становится важным фактором, и для удовлетворения требований к производительности может потребоваться малошумящий усилитель , специально разработанный для минимального собственного шума.

Нелинейные дефекты

Вход (желтый) и выход (зеленый) насыщенного операционного усилителя инвертирующего усилителя.

Насыщенность

Выходное напряжение ограничено минимальным и максимальным значением, близким к напряжениям источника питания . ^{[nb 5]} Выходная мощность старых операционных усилителей может достигать одного или двух вольт от шин питания. Выход так называемогоОперационные усилителимогут достигать напряжения в милливольтах от шин питания при обеспечении низких выходных токов.^[9]

Ограничение скорости нарастания

Выходное напряжение усилителя достигает максимальной скорости изменения, скорости нарастания , обычно определяемой в вольтах в микросекунду (В/мкс). Когда происходит ограничение скорости нарастания, дальнейшее увеличение входного сигнала не влияет на скорость изменения выходного сигнала. Ограничение скорости нарастания обычно вызвано насыщением входного каскада; в результате получается постоянный ток i, управляющий емкостью C в усилителе (особенно теми емкостями, которые используются для реализации его частотной компенсации ); скорость нарастания ограничена d v /d t = i / C .

Поворот связан с работой операционного усилителя при большом сигнале . Рассмотрим, например, операционный усилитель, настроенный на коэффициент усиления 10. Пусть входной сигнал представляет собой  пилообразную волну с напряжением 1 В и частотой 100 кГц. То есть амплитуда 1  В и период 10 микросекунд. Соответственно, скорость изменения (т. е. наклон) входного сигнала составляет 0,1 В в микросекунду. После 10-кратного усиления выходной сигнал должен иметь  пилообразный сигнал с напряжением 10 В, частотой 100 кГц и соответствующей скоростью нарастания сигнала 1  В в микросекунду. Однако классический операционный усилитель 741 имеет  скорость нарастания сигнала 0,5 В в микросекунду, так что его выходное напряжение может подняться не более чем до 5  В за 10-микросекундный период пилообразного сигнала. Таким образом, если бы нужно было измерить выходной сигнал, это была бы  пилообразная форма 5 В, 100 кГц, а не  пилообразная 10 В, 100 кГц.

Далее рассмотрим тот же усилитель и пилообразный сигнал с частотой 100 кГц, но теперь входная амплитуда составляет 100  мВ, а не 1  В. После 10-кратного усиления выходной сигнал представляет собой  пилообразный сигнал с напряжением 1 В, частотой 100 кГц и соответствующей скоростью нарастания сигнала 0,1  В в микросекунду. В этом случае 741 со  скоростью нарастания 0,5 В в микросекунду будет правильно усиливать входной сигнал.

Современные высокоскоростные операционные усилители могут иметь скорость нарастания, превышающую 5000  В в микросекунду. Однако чаще всего операционные усилители имеют скорость нарастания напряжения в диапазоне 5–100  В в микросекунду. Например, операционный усилитель общего назначения TL081 имеет скорость нарастания напряжения 13  В в микросекунду. Как правило, операционные усилители малой мощности и малой полосы пропускания имеют низкую скорость нарастания напряжения. Например, микромощный операционный усилитель LT1494 потребляет ток 1,5 микроампер, но имеет коэффициент усиления 2,7 кГц и  скорость нарастания сигнала 0,001 В на микросекунду.

Нелинейная зависимость ввода -вывода

Выходное напряжение может быть неточно пропорциональным разнице между входными напряжениями, вызывающими искажения. Этот эффект будет очень мал в практической схеме, где используется существенная отрицательная обратная связь.

Обращение фазы

В некоторых интегрированных операционных усилителях, когда заявленное синфазное напряжение нарушается (например, из-за того, что один из входов подключен к одному из напряжений питания), выходной сигнал может изменить полярность, противоположную той, которая ожидается при нормальной работе. ^{[10] [11] В таких условиях отрицательная обратная связь становится положительной, что, вероятно, приводит к} блокировке схемы в этом состоянии.

Соображения по мощности

Ограниченный выходной ток

Выходной ток должен быть конечным. На практике большинство операционных усилителей спроектированы так, чтобы ограничивать выходной ток во избежание повреждения устройства, обычно он составляет около 25 мА для операционного усилителя типа 741 IC. Современные конструкции более надежны в электронном отношении, чем более ранние реализации, и некоторые из них могут без повреждений выдерживать прямое короткое замыкание на своих выходах.

Ограниченное выходное напряжение

Выходное напряжение не может превышать напряжение источника питания, подаваемого на ОУ. Максимальная выходная мощность большинства операционных усилителей дополнительно снижается на некоторую величину из-за ограничений выходной схемы. Операционные усилители Rail-to-rail рассчитаны на максимальные уровни выходного сигнала. ^[9]

Выходной ток стока

Выходной ток стока — это максимальный ток, который может попасть в выходной каскад. Некоторые производители предоставляют график зависимости выходного напряжения от выходного тока стока, который дает представление о выходном напряжении, когда оно пропускает ток от другого источника на выходной контакт.

Ограниченная рассеиваемая мощность

Выходной ток протекает через внутреннее выходное сопротивление операционного усилителя, выделяя тепло, которое необходимо рассеять. Если операционный усилитель рассеивает слишком большую мощность, его температура превысит некоторый безопасный предел. Операционный усилитель должен отключиться, иначе он может быть поврежден.

Современные операционные усилители на интегрированных полевых или полевых транзисторах более близко приближаются к идеальным операционным усилителям, чем биполярные ИС, когда дело касается входного импеданса и входных токов смещения. Биполярные схемы, как правило, лучше с точки зрения смещения входного напряжения и зачастую имеют меньший уровень шума. Как правило, при комнатной температуре, с довольно сильным сигналом и ограниченной полосой пропускания операционные усилители на полевых и полевых транзисторах теперь обеспечивают более высокие характеристики.

Внутренняя схемаОУ типа 741

Схема компонентов обычного операционного усилителя 741. Пунктирные линии очерчивают:  текущие зеркала ;  дифференциальный усилитель ;  ступень усиления класса А ;  переключатель уровня напряжения;  выходной каскад.

Примером операционного усилителя на биполярном транзисторе, созданного многими производителями и во многих аналогичных продуктах, является интегральная схема 741, разработанная в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе конструкции интегральной схемы LM301 Боба Видлара . ^[12] В этом обсуждении мы используем параметры гибридной пи-модели для характеристики малосигнальных характеристик транзистора с заземленным эмиттером. В этой модели коэффициент усиления транзистора по току обозначается h _fe , чаще называемый β. ^[13]

Архитектура

Операционный усилитель 741 представляет собой небольшую интегральную схему , как и большинство операционных усилителей, и имеет внутреннюю структуру, состоящую из трех каскадов усиления: ^[14]

1. Дифференциальный усилитель (обведен темно-синим цветом) — обеспечивает высокое дифференциальное усиление (коэффициент усиления), подавление синфазного сигнала , низкий уровень шума, высокое входное сопротивление и управление
2. Усилитель напряжения (обведен пурпурным цветом ) — обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению, однополюсный спад частоты и, в свою очередь, управляет
3. Выходной усилитель (обведен голубым и зеленым ) — обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (низкий выходной импеданс ), а также ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания на выходе.

Кроме того, он содержит схему смещения токового зеркала (обведено красным) и компенсационный конденсатор (30 пФ).

Дифференциальный усилитель

Входной каскад состоит из каскадного дифференциального усилителя (обведен темно-синим цветом), за которым следует активная нагрузка с токовым зеркалом . Это представляет собой усилитель крутизны , преобразующий дифференциальный сигнал напряжения на базах Q1, Q2 в сигнал тока на базе Q15.

Он предполагает наличие двух каскадных пар транзисторов, удовлетворяющих противоречивым требованиям. Первый каскад состоит из согласованной пары эмиттерных повторителей NPN Q1, Q2, которые обеспечивают высокий входной импеданс. Второй - согласованная пара общих оснований PNP Q3, Q4, которая устраняет нежелательный эффект Миллера ; он управляет активной нагрузкой Q7 плюс согласованной парой Q5, Q6.

Эта активная нагрузка реализована в виде модифицированного токового зеркала Вильсона ; его роль заключается в преобразовании (дифференциального) входного токового сигнала в несимметричный сигнал без сопутствующих 50% потерь (увеличение коэффициента усиления операционного усилителя в разомкнутом контуре на 3 дБ). ^{[nb 6]} Таким образом, дифференциальный ток слабого сигнала в Q3 по сравнению с Q4 суммируется (удвояется) на базе Q15, входа каскада усиления напряжения.

Усилитель напряжения

Каскад усиления напряжения (класса A) (выделен пурпурным цветом ) состоит из двух NPN-транзисторов Q15 и Q19, соединенных по схеме Дарлингтона, и использует выходную сторону токового зеркала, образованного Q12 и Q13, в качестве коллекторной (динамической) нагрузки для достижения его высокий коэффициент усиления по напряжению. Выходной транзистор Q20 получает базовое питание от общих коллекторов Q15 и Q19; сдвигатель уровня Q16 обеспечивает базовое управление выходным истоковым транзистором Q14. Транзистор Q22 предотвращает подачу чрезмерного тока на этот каскад на Q20 и, таким образом, ограничивает выходной ток стока.

Выходной усилитель

Выходной каскад (Q14, Q20, обведен голубым) представляет собой усилитель класса AB . Он обеспечивает выходное сопротивление ~50  Ом, по сути, усиление по току. Транзистор Q16 (обведен зеленым) обеспечивает ток покоя для выходных транзисторов, а Q17 ограничивает выходной ток источника.

Цепи смещения

Цепи смещения обеспечивают соответствующий ток покоя для каждого каскада операционного усилителя.

Резистор (39 кОм), соединяющий (подключенные диодом) Q11 и Q12, и заданное напряжение питания ( V _{S +}  −  V _{S −} ), определяют ток в токовых зеркалах (согласованных парах) Q10/Q11 и Q12/. Вопрос 13. Коллекторный ток Q11, i ₁₁ × 39 кОм = V _{S +} − V _{S −} − 2  V _BE . Для типичного напряжения V _S = ±20 В ток покоя в Q11 и Q12 (а также в Q13) составит ~1 мА. Ток питания типичного 741, составляющий около 2 мА, согласуется с представлением о том, что эти два тока смещения доминируют над током питания покоя. ^[15]

Транзисторы Q11 и Q10 образуют токовое зеркало Видлара с током покоя в Q10 i ₁₀ так, что ln( i ₁₁  / i ₁₀ ) = i ₁₀  × 5 кОм / 28 мВ, где 5 кОм представляет собой эмиттерный резистор Q10, а 28 мВ V _T — тепловое напряжение при комнатной температуре. В этом случае i ₁₀  ≈ 20 мкА.

Дифференциальный усилитель

Схема смещения этого каскада задается петлей обратной связи, которая заставляет токи коллектора Q10 и Q9 (почти) совпадать. Любая небольшая разница в этих токах обеспечивает возбуждение общей базы Q3 и Q4. ^{[nb 7]} Суммарные токи покоя через Q1 и Q3 плюс Q2 и Q4 зеркально отражаются от Q8 к Q9, где они суммируются с током коллектора в Q10, результат применяется к базам Q3 и Q4.

Таким образом , токи покоя через Q1 и Q3 (а также Q2 и Q4) i ₁ будут составлять половину i ₁₀ , порядка ~10 мкА. Входной ток смещения для базы Q1 (также Q2) составит i ₁  / β; обычно ~50 нА, что означает коэффициент усиления по току _hfe ≈  200 для Q1 (также Q2).

Эта схема обратной связи стремится подвести узел общей базы Q3/Q4 к напряжению V _com  − 2  V _BE , где V _com — входное синфазное напряжение. В то же время величина тока покоя относительно нечувствительна к характеристикам компонентов Q1–Q4, таким как hfe , которые в противном _случае могли бы вызвать температурную зависимость или изменения между деталями.

Транзистор Q7 переводит Q5 и Q6 в проводимость до тех пор, пока их (равные) токи коллектора не совпадут с токами Q1/Q3 и Q2/Q4. Ток покоя в Q7 составляет VBE _/  50 кОм, около 35 мкА, как и ток покоя в Q15 с соответствующей ему рабочей точкой. Таким образом, токи покоя попарно согласованы в Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6 и Q7/Q15.

Усилитель напряжения

Токи покоя в Q16 и Q19 задаются токовым зеркалом Q12/Q13, которое работает при токе ~1 мА. Ток коллектора в Q19 отслеживает постоянный ток. ^{[ нужны дальнейшие объяснения ]}

Выходной усилитель

В цепи с Q16 (по-другому называемым резиновым диодом или умножителем V _BE ) резистор 4,5 кОм должен проводить ток около 100 мкА, а Q16 V _BE — примерно 700 мВ. Тогда V _CB должно составлять около 0,45 В, а V _CE — около 1,0 В. Поскольку коллектор Q16 приводится в действие источником тока, а эмиттер Q16 подается в сток коллектора Q19, транзистор Q16 устанавливает разность напряжений между базой Q14 и база Q20 ~1 В независимо от синфазного напряжения баз Q14/Q20. Ток покоя в Q14/Q20 будет в exp (100 мВ/ Вт ) ≈ в 36 раз _меньше , чем ток покоя 1 мА в части операционного усилителя класса А. Этот (небольшой) ток покоя в выходных транзисторах переводит выходной каскад в режим работы класса AB и уменьшает перекрестные искажения этого каскада.

Дифференциальный режим малого сигнала

Небольшой дифференциальный сигнал входного напряжения через несколько этапов усиления тока приводит к гораздо большему сигналу напряжения на выходе.

Входное сопротивление

Входной каскад с Q1 и Q3 аналогичен паре с эмиттерной связью (паре с длинным хвостом), при этом Q2 и Q4 добавляют некоторое вырождающееся сопротивление. Входное сопротивление относительно велико из-за небольшого тока через Q1-Q4. Типичный операционный усилитель 741 имеет дифференциальное входное сопротивление около 2 МОм. ^[16] Синфазное входное сопротивление еще выше, поскольку входной каскад работает практически при постоянном токе.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальное напряжение V _in на входах ОУ (выводы 3 и 2 соответственно) приводит к возникновению небольшого дифференциального тока в базах Q1 и Q2 i _in  ≈ V _in  / (2 h _ie h _fe ). Этот дифференциальный ток базы вызывает изменение дифференциального тока коллектора в каждой ветви на i _in h _fe . Учитывая крутизну Q1, g _m  = h _fe  / h , _т . е. ток (малого сигнала) на базе Q15 (вход каскада усиления напряжения) равен V _в г _м  / 2.

Эта часть операционного усилителя ловко преобразует дифференциальный сигнал на входах операционного усилителя в несимметричный сигнал на базе Q15 таким образом, чтобы избежать нерационального отбрасывания сигнала в любой из ног. Чтобы увидеть, как это происходит, обратите внимание, что небольшое отрицательное изменение напряжения на инвертирующем входе (база Q2) выводит его из состояния проводимости, и это постепенное уменьшение тока передается непосредственно от коллектора Q4 к его эмиттеру, что приводит к уменьшению возбуждения базы для Q15. . С другой стороны, небольшое положительное изменение напряжения на неинвертирующем входе (база Q1) переводит этот транзистор в состояние проводимости, что отражается в увеличении тока на коллекторе Q3. Этот ток приводит Q7 дальше в проводимость, что включает токовое зеркало Q5/Q6. Таким образом, увеличение тока эмиттера Q3 отражается на увеличении тока коллектора Q6; увеличенные токи коллектора больше шунтируют от коллекторного узла и приводят к уменьшению базового тока возбуждения для Q15. Помимо того, что здесь можно избежать потери усиления на 3 дБ, этот метод уменьшает синфазное усиление и влияние шума источника питания.

Усилитель напряжения

Сигнал тока i на базе Q15 вызывает ток в Q19 порядка i β ² (произведение h fe _{каждого} из Q15 и Q19, которые соединены в пару Дарлингтона ). Этот токовый сигнал создает напряжение на базах выходных транзисторов Q14 и Q20, пропорциональное h ie _{соответствующего} транзистора.

Выходной усилитель

Выходные транзисторы Q14 и Q20 каждый сконфигурированы как эмиттерный повторитель, поэтому усиления по напряжению там не происходит; вместо этого этот каскад обеспечивает коэффициент усиления по току, равный hfe _Q14 и Q20.

Коэффициент усиления по току снижает выходное сопротивление, и хотя выходное сопротивление не равно нулю, как это было бы в идеальном операционном усилителе, при отрицательной обратной связи оно приближается к нулю на низких частотах.

Общий коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре

Чистый коэффициент усиления по напряжению малого сигнала в разомкнутом контуре операционного усилителя представляет собой произведение коэффициента усиления по току h _fe примерно 4 транзисторов. На практике коэффициент усиления по напряжению типичного операционного усилителя типа 741 составляет порядка 200 000, а коэффициент усиления по току, отношение входного импеданса (~ 2–6 МОм) к выходному сопротивлению (~ 50  Ом), обеспечивает еще большую мощность (мощность). прирост.

Другие линейные характеристики

Усиление синфазного сигнала при слабом сигнале

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала или нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала.

В настоящей схеме, если входные напряжения изменяются в одном направлении, отрицательная обратная связь заставляет базовое напряжение Q3/Q4 следовать (с напряжением _{BE ниже 2} В ) за изменениями входного напряжения. Теперь выходная часть (Q10) токового зеркала Q10-Q11 поддерживает постоянный общий ток через Q9/Q8, несмотря на изменяющееся напряжение. Токи коллектора Q3/Q4 и, соответственно, выходной ток на базе Q15 остаются неизменными.

В типичном ОУ 741 коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 90 дБ, что означает коэффициент усиления синфазного напряжения в разомкнутом контуре около 6.

Частотная компенсация

Новшеством Fairchild μA741 было введение частотной компенсации с помощью встроенного (монолитного) конденсатора, упрощающего применение операционного усилителя за счет устранения необходимости во внешних компонентах для этой функции. Конденсатор емкостью 30 пФ стабилизирует усилитель посредством компенсации Миллера и действует аналогично схеме интегратора операционного усилителя . Также известна как компенсация доминирующего полюса , поскольку она вводит полюс, который маскирует (доминирует) эффекты других полюсов в частотной характеристике разомкнутого контура; в операционном усилителе 741 этот полюс может составлять всего 10 Гц (при этом он вызывает потерю коэффициента усиления по напряжению в разомкнутом контуре на -3 дБ).

Эта внутренняя компенсация предназначена для достижения безусловной стабильности усилителя в конфигурациях с отрицательной обратной связью, где цепь обратной связи является нереактивной, а коэффициент усиления замкнутого контура равен единице или выше. Напротив, усилители, требующие внешней компенсации, такие как μA748, могут потребовать внешней компенсации или усиления с обратной связью, значительно превышающего единицу.

Входное напряжение смещения

Выводы «смещения нуля» можно использовать для размещения внешних резисторов (обычно в виде двух концов потенциометра с ползунком, подключенным к V _{S –} ) параллельно эмиттерным резисторам Q5 и Q6 для регулировки баланса. текущего зеркала Q5/Q6. Потенциометр настроен таким образом, чтобы выходной сигнал был нулевым (средний диапазон), когда входы замкнуты друг на друга.

Нелинейные характеристики

Входное напряжение пробоя

Транзисторы Q3, Q4 способствуют увеличению обратного _{номинала} VBE : переходы база-эмиттер NPN-транзисторов Q1 и Q2 пробиваются при напряжении около 7 В, а вот PNP-транзисторы Q3 и Q4 имеют напряжение пробоя _VBE около 50 В. ^{[ 17]}  

Качание напряжения выходного каскада и ограничение тока

Изменения тока покоя в зависимости от температуры или между деталями с одинаковым номером типа являются обычным явлением, поэтому перекрестные искажения и ток покоя могут подвергаться значительным изменениям.

Выходной диапазон усилителя примерно на один вольт меньше напряжения питания, отчасти из-за V _BE выходных транзисторов Q14 и Q20.

Резистор 25 Ом на эмиттере Q14 вместе с Q17 ограничивает ток Q14 примерно до 25 мА; в противном случае Q17 не проводит ток.

Ограничение тока для Q20 выполняется на этапе усиления напряжения: Q22 измеряет напряжение на эмиттерном резисторе Q19 (50  Ом); при включении он уменьшает ток возбуждения до базы Q15.

Более поздние версии этой схемы усилителя могут показывать несколько иной метод ограничения выходного тока.

Соображения о применимости

Хотя 741 исторически использовался в аудио и другом чувствительном оборудовании, сейчас такое использование встречается редко из-за улучшенных шумовых характеристик более современных операционных усилителей. Помимо создания заметного шипения, 741 и другие старые операционные усилители могут иметь плохие коэффициенты подавления синфазного сигнала и поэтому часто создают шум в сети и другие синфазные помехи, такие как «щелчки» переключателей, в чувствительное оборудование.

«741» часто означает обычную микросхему операционного усилителя (например, μA741, LM301, 558, LM324, TBA221 — или более современную замену, такую ​​как TL071). Описание выходного каскада 741 качественно аналогично для многих других конструкций (которые могут иметь совершенно разные входные каскады), за исключением:

• Некоторые устройства (μA748, LM301, LM308) не имеют внутренней компенсации (требуются внешние конденсаторы от выхода до некоторой точки операционного усилителя, если они используются в приложениях с низким коэффициентом усиления с обратной связью).
• Некоторые современные устройства имеют выходной сигнал от напряжения до напряжения , что означает, что выходной сигнал может варьироваться от нескольких милливольт положительного напряжения питания до нескольких милливольт отрицательного напряжения питания. ^[9]

Классификация

Операционные усилители можно классифицировать по конструкции:

• дискретные, построенные из отдельных транзисторов или ламп/ламп ,
• гибридный, состоящий из дискретных и интегрированных компонентов,
• полные интегральные схемы — наиболее распространенные, вытеснившие первые две из-за низкой стоимости.

Операционные усилители IC можно классифицировать по-разному, в том числе:

• Класс устройства, включая допустимые диапазоны рабочих температур и другие факторы окружающей среды или качества. Например: LM101, LM201 и LM301 относятся к военной, промышленной и коммерческой версиям одного и того же компонента. Компоненты военного и промышленного класса обеспечивают лучшую производительность в суровых условиях, чем их коммерческие аналоги, но продаются по более высоким ценам.
• Классификация по типу упаковки также может влиять на экологическую устойчивость, а также на варианты производства; DIP и другие корпуса со сквозными отверстиями имеют тенденцию заменяться устройствами для поверхностного монтажа .
• Классификация по внутренней компенсации: операционные усилители могут страдать от высокочастотной нестабильности в некоторых цепях отрицательной обратной связи , если небольшой компенсационный конденсатор не изменяет фазовые и частотные характеристики. Операционные усилители со встроенным конденсатором называются компенсированными и позволяют схемам с коэффициентом усиления с обратной связью выше некоторого заданного коэффициента усиления работать стабильно без внешнего конденсатора. В частности, операционные усилители, которые стабильны даже при коэффициенте усиления замкнутого контура, равном 1, называются компенсированными единичным коэффициентом усиления .
• Доступны одинарные, сдвоенные и счетверенные версии многих коммерческих микросхем операционных усилителей, что означает, что в один комплект входят 1, 2 или 4 операционных усилителя.
• Операционные усилители с рельсовым входом (и/или выходом) могут работать с входными (и/или выходными) сигналами очень близко к шинам питания. ^[9]
• Операционные усилители КМОП (такие как CA3140E) обеспечивают чрезвычайно высокое входное сопротивление, превышающее операционные усилители с входом JFET , которые обычно выше, чем операционные усилители с биполярным входом.
• Другие разновидности операционных усилителей включают программируемые операционные усилители (это означает, что ток покоя, полоса пропускания и т. д. могут регулироваться внешним резистором).
• производители часто группируют свои операционные усилители в соответствии с назначением, например, малошумящие предварительные усилители, усилители с широкой полосой пропускания и т. д.

Приложения

Распиновка DIP для операционного усилителя типа 741

Использование при проектировании электронных систем.

Использование операционных усилителей в качестве схемных блоков гораздо проще и нагляднее, чем указание всех их отдельных схемных элементов (транзисторов, резисторов и т. д.), независимо от того, являются ли используемые усилители интегральными или дискретными схемами. В первом приближении операционные усилители можно использовать так, как если бы они были идеальными блоками дифференциального усиления; на более позднем этапе могут быть установлены ограничения на приемлемый диапазон параметров для каждого операционного усилителя.

Схемотехника следует тем же принципам, что и все электронные схемы. Составляется спецификация, определяющая, что должна делать схема, с допустимыми пределами. Например, может потребоваться усиление в 100 раз с допуском 5 %, но дрейфом менее 1 % в заданном температурном диапазоне; входное сопротивление не менее одного МОм; и т. д.

Базовая схема проектируется, часто с помощью схемотехнического моделирования (на компьютере). Затем выбираются конкретные коммерчески доступные операционные усилители и другие компоненты, которые соответствуют критериям проектирования в пределах заданных допусков и имеют приемлемую стоимость. Если не все критерии могут быть выполнены, возможно, потребуется изменить спецификацию.

Затем создается и тестируется прототип; Могут быть внесены изменения для соответствия или улучшения спецификации, изменения функциональности или снижения стоимости.

Приложения без использования обратной связи

То есть операционный усилитель используется в качестве компаратора напряжения . Обратите внимание, что устройство, спроектированное в первую очередь как компаратор, может быть лучше, если, например, важна скорость или можно найти широкий диапазон входных напряжений, поскольку такие устройства могут быстро восстанавливаться из полностью включенного или полностью выключенного («насыщенного») состояний.

Детектор уровня напряжения можно получить, если на один из входов операционного усилителя подать опорное напряжение V _ref . Это означает, что операционный усилитель настроен как компаратор для обнаружения положительного напряжения. Если измеряемое напряжение E _i подается на вход (+) операционного усилителя, результатом является неинвертирующий детектор положительного уровня: когда E _i выше V _ref , VO _равен + V _sat ; когда E _i ниже V _ref , VO _равен − V _sat . Если E _i подается на инвертирующий вход, схема представляет собой инвертирующий детектор положительного уровня: когда E _i выше V _ref , VO _равен − V _sat .

Детектор нулевого уровня напряжения ( E _i = 0) может преобразовать, например, выходной синусоидальный сигнал функционального генератора в прямоугольный сигнал переменной частоты. Если E _i представляет собой синусоидальную волну, треугольную волну или волну любой другой формы, симметричную относительно нуля, выходной сигнал детектора перехода через нуль будет квадратным. Обнаружение перехода через ноль также может быть полезно для запуска симисторов в наилучшее время, чтобы уменьшить помехи в сети и скачки тока.

Заявки с положительными отзывами

Триггер Шмитта, реализованный неинвертирующим компаратором.

Другая типичная конфигурация операционных усилителей — с положительной обратной связью, которая возвращает часть выходного сигнала обратно на неинвертирующий вход. Важным его применением является компаратор с гистерезисом, триггер Шмитта . В некоторых схемах может использоваться положительная и отрицательная обратная связь вокруг одного и того же усилителя, например, генераторы треугольных волн и активные фильтры .

Из-за широкого диапазона нарастания и отсутствия положительной обратной связи отклик всех описанных выше детекторов уровня с разомкнутым контуром будет относительно медленным. Можно применить внешнюю общую положительную обратную связь, но (в отличие от внутренней положительной обратной связи, которая может применяться на последних этапах специально разработанного компаратора) это заметно влияет на точность точки обнаружения перехода через нуль. Например, при использовании операционного усилителя общего назначения частота E _i преобразователя синусоидального сигнала в прямоугольный сигнал, вероятно, должна быть ниже 100 Гц. ^{[ нужна цитата ]}

Приложения с отрицательной обратной связью

Неинвертирующий усилитель

Операционный усилитель, подключенный по схеме неинвертирующего усилителя.

В неинвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в том же направлении, что и входное.

Уравнение усиления для операционного усилителя:

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).}$

Однако в этой схеме V ₋ является функцией V _out из-за отрицательной обратной связи через сеть R ₁ R ₂ . R ₁ и R ₂ образуют делитель напряжения , и поскольку V ₋ является высокоомным входом, он не нагружает его заметно. Следовательно

${\displaystyle V_{-}=\beta V_{\text{out}},}$

где

${\displaystyle \beta ={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.}$

Подставив это в уравнение усиления, получим

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{\text{in}}-\beta V_{\text{out}}).}$

Решение для : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left({\frac {1}{\beta +{\frac {1}{A_{\text{OL}}}}}}\right).}$

Если очень большое, это упрощается до ${\displaystyle A_{\text{OL}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\approx {\frac {V_{\text{in}}}{\beta }}={\frac {V_{\text{in}}}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right).}$

Неинвертирующему входу операционного усилителя необходим путь для постоянного тока на землю; если источник сигнала не обеспечивает цепь постоянного тока или если для этого источника требуется заданное сопротивление нагрузки, то для схемы потребуется еще один резистор от неинвертирующего входа до земли. Когда входные токи смещения операционного усилителя значительны, сопротивления источника постоянного тока, управляющие входами, должны быть сбалансированы. ^[18] Идеальное значение резисторов обратной связи (чтобы обеспечить минимальное напряжение смещения) должно быть таким, чтобы два параллельно включенных сопротивления примерно равнялись сопротивлению земли на неинвертирующем входном контакте. Это идеальное значение предполагает, что токи смещения хорошо согласованы, что может быть не верно для всех операционных усилителей. ^[19]

Инвертирующий усилитель

Операционный усилитель, подключенный по схеме инвертирующего усилителя.

В инвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в направлении, противоположном входному напряжению.

Как и в случае с неинвертирующим усилителем, мы начнем с уравнения усиления операционного усилителя:

${\displaystyle V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).}$

На этот раз V ₋ является функцией как V _out , так и V _in , благодаря делителю напряжения, образованному R _f и R _in . Опять же, вход ОУ не дает заметной нагрузки, поэтому

${\displaystyle V_{-}={\frac {1}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}}}\left(R_{\text{f}}V_{\text{in}}+R_{\text{in}}V_{\text{out}}\right).}$

Подставляя это в уравнение усиления и решая : ${\displaystyle V_{\text{out}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}=-V_{\text{in}}{\frac {A_{\text{OL}}R_{\text{f}}}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}+A_{\text{OL}}R_{\text{in}}}}.}$

Если очень большое, это упрощается до ${\displaystyle A_{\text{OL}}}$

${\displaystyle V_{\text{out}}\approx -V_{\text{in}}{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}.}$

Резистор часто вставляется между неинвертирующим входом и землей (поэтому оба входа «видят» одинаковые сопротивления), уменьшая входное напряжение смещения из-за различных падений напряжения из-за тока смещения и может уменьшить искажения в некоторых операционных усилителях.

Конденсатор блокировки постоянного тока может быть включен последовательно с входным резистором, когда частотная характеристика до постоянного тока не требуется и любое напряжение постоянного тока на входе нежелательно. То есть емкостная составляющая входного импеданса вводит ноль постоянного тока и низкочастотный полюс , что придает схеме полосовую или высокочастотную характеристику.

В инвертирующей конфигурации потенциалы на входах операционного усилителя остаются практически постоянными (около земли). Постоянный рабочий потенциал обычно приводит к уровням искажений, которые ниже, чем те, которые достижимы при неинвертирующей топологии.

Другие приложения

• предусилители и буферы аудио- и видеочастот
• дифференциальные усилители
• дифференциаторы и интеграторы
• фильтры
• прецизионные выпрямители
• прецизионные пиковые детекторы
• регуляторы напряжения и тока
• аналоговые калькуляторы
• Аналого-цифровые преобразователи
• Цифро-аналоговые преобразователи
• Фиксация напряжения
• генераторы сигналов и генераторы сигналов
• машинка для стрижки
• фиксатор (инсертор или восстановитель постоянного тока)
• Усилители LOG и ANTILOG

Большинство доступных одиночных, сдвоенных и счетверенных операционных усилителей имеют стандартизированную распиновку, которая позволяет заменять один тип на другой без изменения проводки. Конкретный операционный усилитель может быть выбран по его коэффициенту усиления разомкнутого контура, полосе пропускания, шумовым характеристикам, входному сопротивлению, энергопотреблению или компромиссу между любым из этих факторов.

Исторический график

1941: Ламповый операционный усилитель. Операционный усилитель, определяемый как универсальный усилитель с инвертирующей обратной связью и высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, впервые встречается в патенте США № 2 401 779 «Суммирующий усилитель», поданном Карлом Д. Сварцелем-младшим из Bell Labs в 1941 году. В этой конструкции использовался три вакуумные лампы для достижения усиления 90 дБ и работали на шинах напряжения ± 350 В. Он имел один инвертирующий вход, а не дифференциальные инвертирующий и неинвертирующий входы, как это обычно бывает в современных операционных усилителях. На протяжении Второй мировой войны конструкция Шварцеля доказала свою ценность, широко использовавшись в артиллерийском орудии M9 , разработанном в Bell Labs. Этот артиллерийский директор работал с радиолокационной системой SCR584, чтобы добиться невероятной точности попаданий (около 90%), которая в противном случае была бы невозможна. ^[20]

GAP/R K2-W: ламповый операционный усилитель (1953)

1947: Операционный усилитель с явным неинвертирующим входом. В 1947 году операционный усилитель был впервые формально определен и назван в статье ^[21] Джона Р. Рагаццини из Колумбийского университета. В этой же статье в сноске упоминается проект операционного усилителя, разработанный студентом, который оказался весьма важным. Этот операционный усилитель, разработанный Лебе Джули , превосходил его во многих отношениях. В нем было два основных нововведения. В его входном каскаде использовалась пара триодов с длинным хвостом , нагрузки которых были согласованы для уменьшения дрейфа выходного сигнала, и, что гораздо более важно, это был первый операционный усилитель, имевший два входа (один инвертирующий, другой неинвертирующий). Дифференциальный вход сделал возможным целый ряд новых функций, но долгое время он не использовался из-за появления усилителей, стабилизированных прерывателем. ^[20]

1949: Операционный усилитель, стабилизированный прерывателем. В 1949 году Эдвин А. Голдберг разработал операционный усилитель, стабилизированный прерывателем . ^[22] В этой схеме используется обычный операционный усилитель с дополнительным усилителем переменного тока , который устанавливается вместе с операционным усилителем. Преобразователь получает сигнал переменного тока от постоянного тока путем быстрого переключения между напряжением постоянного тока и землей (60 Гц или 400 Гц). Затем этот сигнал усиливается, выпрямляется, фильтруется и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Это значительно улучшило коэффициент усиления операционного усилителя, одновременно значительно уменьшив выходной дрейф и смещение постоянного тока. К сожалению, ни одна конструкция, в которой использовался прерыватель, не могла использовать его неинвертирующий вход для каких-либо других целей. Тем не менее, значительно улучшенные характеристики операционных усилителей, стабилизированных прерывателем, сделали его доминирующим способом использования операционных усилителей. Методы, в которых регулярно использовался неинвертирующий вход, не пользовались большой популярностью до 1960-х годов, когда на практике начали появляться микросхемы операционных усилителей.

1953: Коммерчески доступный операционный усилитель. В 1953 году ламповые операционные усилители стали коммерчески доступны с выпуском модели K2-W от компании George A. Philbrick Researches, Incorporated. Обозначение показанных устройств GAP/R является аббревиатурой полного названия компании. Две девятиконтактные электронные лампы 12AX7 были смонтированы в восьмеричном корпусе и имели дополнительный прерыватель модели K2-P, который эффективно «использовал» неинвертирующий вход. Этот операционный усилитель был основан на конструкции Лебе Джули 1947 года и вместе со своими преемниками положил начало широкому использованию операционных усилителей в промышленности.

Модель GAP/R P45: полупроводниковый дискретный операционный усилитель (1961 г.).

1961: Дискретный операционный усилитель на микросхеме. С рождением транзистора в 1947 году и кремниевого транзистора в 1954 году концепция ИС стала реальностью. Внедрение планарного процесса в 1959 году сделало транзисторы и микросхемы достаточно стабильными, чтобы их можно было использовать с коммерческой точки зрения. К 1961 году начали производиться твердотельные дискретные операционные усилители. Эти операционные усилители по сути представляли собой небольшие печатные платы с корпусами типа краевых разъемов . Обычно у них были резисторы, выбранные вручную, чтобы улучшить такие параметры, как смещение и дрейф напряжения. P45 (1961) имел коэффициент усиления 94 дБ и работал на шине ±15 В. Он был предназначен для работы с сигналами в диапазоне ±10 В.

1961: Операционный усилитель с варакторным мостом. В разработке операционных усилителей развивалось множество различных направлений. Операционные усилители моста Varactor начали производиться в начале 1960-х годов. ^{[23] [24]} Они были разработаны с учетом чрезвычайно малого входного тока и до сих пор остаются одними из лучших доступных операционных усилителей с точки зрения подавления синфазного сигнала и способности правильно справляться с сотнями вольт на своих входах.

Модель GAP/R PP65: твердотельный операционный усилитель в герметизированном модуле (1962 г.)

1962: Операционный усилитель в герметичном модуле. К 1962 году несколько компаний производили модульные герметичные корпуса, которые можно было вставлять в печатные платы . ^{[ нужна цитация ]} Эти пакеты были чрезвычайно важны, поскольку они превращали операционный усилитель в единый черный ящик , который можно было легко рассматривать как компонент в более крупной схеме.

1963: Монолитный операционный усилитель на микросхеме. В 1963 году был выпущен первый монолитный операционный усилитель на микросхеме μA702, разработанный Бобом Видларом из Fairchild Semiconductor. Монолитные ИС состоят из одного чипа, а не из чипа и отдельных частей (дискретная ИС) или из нескольких микросхем, соединенных и соединенных на печатной плате (гибридная ИС). Почти все современные операционные усилители представляют собой монолитные микросхемы; однако эта первая микросхема не имела большого успеха. Такие проблемы, как неравномерное напряжение питания, низкий коэффициент усиления и небольшой динамический диапазон, сдерживали доминирование монолитных операционных усилителей до 1965 года, когда был выпущен µA709 ^[25] (также разработанный Бобом Видларом).

1968: Выпуск μA741. Популярность монолитных операционных усилителей еще больше возросла после выпуска LM101 в 1967 году, который решил ряд проблем, и последующего выпуска µA741 в 1968 году. µA741 был чрезвычайно похож на LM101, за исключением того, что возможности Fairchild позволяли им включите компенсационный конденсатор емкостью 30 пФ внутри чипа вместо необходимости внешней компенсации. Это простое отличие сделало 741 каноническим операционным усилителем, и многие современные усилители основывают свою распиновку на 741-м. Микросхема µA741 все еще находится в производстве и стала повсеместно использоваться в электронике — многие производители выпускают версии этого классического чипа, узнаваемые по номерам деталей, содержащим 741 . Одну и ту же деталь производят несколько компаний.

1970: Первый высокоскоростной полевой транзистор с низким входным током. В 1970-х годах с использованием полевых транзисторов начали создавать высокоскоростные конструкции с низким входным током . В 1980-х годах их в значительной степени заменили операционные усилители, изготовленные на МОП-транзисторах .

LH0033CG: высокоскоростной гибридный операционный усилитель на микросхеме.

1972: Производство операционных усилителей с односторонним питанием. Операционный усилитель с односторонним питанием — это такой операционный усилитель, в котором входное и выходное напряжения могут быть такими же низкими, как отрицательное напряжение источника питания, вместо того, чтобы быть как минимум на два вольта выше него. В результате он может работать во многих приложениях, когда отрицательный вывод питания операционного усилителя подключен к сигнальной земле, что устраняет необходимость в отдельном отрицательном источнике питания.

LM324 (выпущенный в 1972 году) был одним из таких операционных усилителей, который поставлялся в четырехъядерном корпусе (четыре отдельных операционных усилителя в одном корпусе) и стал отраслевым стандартом. Помимо упаковки нескольких операционных усилителей в один корпус, в 1970-е годы также появились операционные усилители в гибридных корпусах. Эти операционные усилители обычно представляли собой улучшенные версии существующих монолитных операционных усилителей. По мере улучшения свойств монолитных операционных усилителей более сложные гибридные микросхемы быстро стали использоваться в системах, которым требуется чрезвычайно длительный срок службы, или в других специализированных системах.

Операционный усилитель в мини-DIP-корпусе.

Последние тенденции. Недавно ^{[ когда? ]} напряжения питания в аналоговых схемах снизились (как и в цифровой логике), и в связи с этим были введены низковольтные операционные усилители. Обычно используются источники питания 5 В и все чаще 3,3 В (иногда всего 1,8 В). Чтобы максимизировать диапазон сигнала, современные операционные усилители обычно имеют выходной сигнал с диапазоном напряжения питания (выходной сигнал может варьироваться от самого низкого напряжения питания до самого высокого), а иногда и входы с диапазоном напряжения питания. ^[9]

Смотрите также

• Портал электроники

• Активный фильтр
• Аналоговый компьютер
• Боб Видлар
• Текущий конвейер
• Операционный усилитель с токовой обратной связью
• Дифференциальный усилитель
• Джордж А. Филбрик
• Инструментальный усилитель
• Список интегральных схем серии LM
• Усилитель с отрицательной обратной связью
• Замена операционного усилителя
• Применение операционных усилителей
• Операционный усилитель крутизны
• Топология Саллена – Ки

Примечания

1. Контакты источника питания ( V _S+ и V _S− ) могут быть промаркированы по-разному ( см. Контакты источника питания IC ). Часто эти контакты для ясности опускаются на схеме, а конфигурация питания описывается или предполагается на схеме.
2. Обычно ~ 10 наноампер, нА, для биполярных операционных усилителей, десятки пикоампер, пА, для входных каскадов JFET и всего несколько пА для входных каскадов MOSFET .
3. Это определение соответствует соглашению об измерении параметров операционного усилителя относительно точки нулевого напряжения в схеме, которая обычно составляет половину общего напряжения между положительной и отрицательной шинами питания усилителя.
4. Многие старые конструкции операционных усилителей имеют входы смещения нуля, позволяющие регулировать смещение вручную. Современные прецизионные операционные усилители могут иметь внутренние схемы, которые автоматически компенсируют это смещение с помощью прерывателей или других схем, которые периодически измеряют напряжение смещения и вычитают его из входного напряжения.
5. То, что выходной сигнал не может достичь напряжения питания, обычно является результатом ограничений транзисторов выходного каскада усилителя.
6. Видлар использовал тот же трюк в μA702 и μA709.
7. Базовым приводом входных транзисторов Q1/Q2 является входной ток смещения, который должен получаться извне.

Рекомендации

1. «Понимание несимметричных, псевдодифференциальных и полностью дифференциальных входов АЦП». Примечание по применению Maxim 1108. Архивировано из оригинала 26 июня 2007 г. Проверено 10 ноября 2007 г.
2. "Апекс OP PA98" . Архивировано из оригинала 1 января 2016 года . Проверено 8 ноября 2015 г. Модули операционных усилителей APEX PA98, цена продажи: $207,51.
3. Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника: цифровые и аналоговые схемы и системы. МакГроу-Хилл. стр. 523–527. ISBN 0-07-042327-Х.
4. «Понимание базового аналога – идеальные операционные усилители» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 27 декабря 2016 г.
5. «Лекция 5: Идеальный операционный усилитель» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 23 ноября 2016 г.
6. Шлепфер, Эрик (2018). Идеальный операционный усилитель IC01 (PDF) . Идеальный полупроводник . Проверено 20 декабря 2022 г.
7. Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-37095-7.
8. Стаут, Д.Ф. (1976). Справочник по проектированию схем операционных усилителей . МакГроу-Хилл. стр. 1–11. ISBN 0-07-061797-Х.
9. «Применение операционных усилителей Rail-to-Rail» (PDF) . Инструменты Техаса . Проверено 8 июня 2021 г.
10. «Переключение фазы на выходе операционного усилителя и защита от перенапряжения на входе» (PDF) . Аналоговые устройства. 2009 . Проверено 27 декабря 2012 г.
11. Король, Грейсон; Уоткинс, Тим (13 мая 1999 г.). «Начальная настройка операционного усилителя приводит к значительным перепадам напряжения» (PDF) . Новости электронного дизайна . Проверено 27 декабря 2012 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
12. Ли, Томас Х. (18 ноября 2002 г.). «Операционные усилители IC на протяжении веков» (PDF) . Стэндфордский Университет. Архивировано (PDF) из оригинала 24 октября 2012 г. Раздаточный материал № 18: EE214, осень 2002 г.{{cite web}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
13. Лу, Лян-Хун. «Электроника 2, Глава 10» (PDF) . Национальный Тайваньский университет, Высший институт электронной техники. Архивировано из оригинала (PDF) 30 июня 2014 г. Проверено 22 февраля 2014 г.
14. «Понимание кремниевых схем: внутри вездесущего операционного усилителя 741» . www.righto.com . Архивировано из оригинала 9 октября 2017 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
15. Технический паспорт NS LM714
16. Технический паспорт NS LM741
17. Операционный усилитель μA741 ^{[ постоянная неработающая ссылка ]}
18. Входной ток смещения 1 мкА через сопротивление источника постоянного тока 10 кОм создает напряжение смещения 10 мВ. Если другой входной ток смещения такой же и имеет то же сопротивление источника, то два входных напряжения смещения будут компенсироваться. Балансировка сопротивлений источника постоянного тока может не потребоваться, если произведение входного тока смещения и сопротивления источника мало.
19. Аналоговые устройства (2009). «Входной ток смещения операционного усилителя» (PDF) . Аналоговые устройства. Учебник МТ-038.
20. Юнг, Уолтер Г. (2004). «Глава 8: История операционных усилителей». Справочник по применению операционных усилителей. Ньюнес. п. 777. ИСБН 978-0-7506-7844-5. Проверено 15 ноября 2008 г.
21. Рагаццини, Джон Р .; Рэндалл, Роберт Х.; Рассел, Фредерик А. (май 1947 г.). «Анализ задач динамики с помощью электронных схем». Труды ИРЭ . IEEE. 35 (5): 444–452. дои : 10.1109/JRPROC.1947.232616. ISSN  0096-8390.
22. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 октября 2012 г. Проверено 27 декабря 2012 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
23. "Архив Филбрика". www.philbrickarchive.org . Архивировано из оригинала 7 сентября 2012 года . Проверено 28 апреля 2018 г.
24. Реклама Philbrick P2, июнь 1961 г., «Совершенно новый, полностью твердотельный усилитель Philbrick P2» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 8 октября 2011 г. Проверено 11 мая 2011 г.
25. Мальвино, AP (1979). Электронные принципы (2-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 476. ИСБН 0-07-039867-4.

дальнейшее чтение

Книги

• Операционные усилители для всех ; 5-е изд; Брюс Картер, Рон Манчини; Ньюнес; 484 страницы; 2017 год; ISBN 978-0-12-811648-7 . (2 МБ PDF – 1-е издание) 
• Операционные усилители – теория и проектирование ; 3-е изд.; Йохан Хейсинг; Спрингер; 423 страницы; 2017 год; ISBN 978-3-319-28126-1 . 
• Операционные усилители и линейные интегральные схемы – теория и применение ; 3-е изд.; Джеймс Фиоре; Creative Commons; 589 страниц; 2016. (13 МБ PDF-текста) (2 МБ PDF-лаборатории)
• Анализ и проектирование линейных цепей ; 8-е изд; Роланд Томас, Альберт Роза, Грегори Туссен; Уайли; 912 страниц; 2016 год; ISBN 978-1-119-23538-5 . 
• Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем ; 4-е изд; Серджио Франко; Макгроу Хилл; 672 страницы; 2015 г.; ISBN 978-0-07-802816-8 . 
• Аудиодизайн для малых сигналов ; 2-е изд.; Дуглас Селф ; Фокальная пресса; 780 страниц; 2014 г.; ISBN 978-0-415-70973-6 . 
• Справочник по проектированию линейных схем ; 1-е изд; Хэнк Зумбален; Ньюнес; 960 страниц; 2008 г.; ISBN 978-0-7506-8703-4 . (35 МБ PDF) 
• Справочник по применению операционных усилителей ; 1-е изд; Уолт Юнг ; Аналоговые устройства и новости; 896 страниц; 2005 г.; ISBN 978-0-7506-7844-5 . (17 МБ в формате PDF) 
• Операционные усилители и линейные интегральные схемы ; 6-е изд; Роберт Кофлин, Фредерик Дрисколл; Прентис Холл; 529 страниц; 2001 г.; ISBN 978-0-13-014991-6 . 
• Поваренная книга активного фильтра ; 2-е изд.; Дон Ланкастер ; Сэмс; 240 страниц; 1996 год; ISBN 978-0-7506-2986-7 . (28 МБ PDF – 1-е издание) 
• Поваренная книга ИС ОУ ; 3-е изд.; Уолт Юнг ; Прентис Холл; 433 страницы; 1986 год; ISBN 978-0-13-889601-0 . (18 МБ PDF – 1-е издание) 
• Мини-ноутбук инженера — микросхемы операционных усилителей ; 1-е изд; Форрест Мимс III; РадиоШак; 49 страниц; 1985 год; АСИН B000DZG196. (4 МБ PDF)
• Фредериксен, Томас (1984). Интуитивные операционные усилители на микросхемах - от основ к полезным приложениям (1-е изд.). Национальный полупроводник .
• Проектирование с использованием операционных усилителей — альтернативы применения ; 1-е изд; Джеральд Грэм; Берр-Браун и МакГроу Хилл; 269 ​​страниц; 1976 год; ISBN 978-0-07-023891-6 . 
• Применение операционных усилителей – методы третьего поколения ; 1-е изд; Джеральд Грэм; Берр-Браун и МакГроу Хилл; 233 страницы; 1973 год; ISBN 978-0-07-023890-9 . (37 МБ PDF) 
• Понимание операционных усилителей IC ; 1-е изд; Роджер Мелен и Гарри Гарланд ; Издательство Самс; 128 страниц; 1971 год; ISBN 978-0-672-20855-3 . (архив) 
• Операционные усилители – конструкция и применение ; 1-е изд; Джеральд Грэм, Джин Тоби, Лоуренс Хьюлсман; Берр-Браун и МакГроу Хилл; 473 страницы; 1971 год; ISBN 978-0-07-064917-0 . 

Книги с главами по операционным усилителям

• Изучение искусства электроники — практический лабораторный курс ; 1-е изд; Томас Хейс, Пол Горовиц ; Кембридж; 1150 страниц; 2016 год; ISBN 978-0-521-17723-8 . (Часть 3 – 268 страниц) 
• Искусство электроники ; 3-е изд.; Пол Горовиц , Уинфилд Хилл; Кембридж; 1220 страниц; 2015 г.; ISBN 978-0-521-80926-9 . (Глава 4 — 69 страниц) 
• Уроки электрических цепей - Том III - Полупроводники ; 5-е изд; Тони Куфальдт; Проект «Открытая книга»; 528 страница; 2009. (Глава 8 – 59 страниц) (4 МБ PDF)
• Устранение неполадок аналоговых цепей ; 1-е изд; Боб Пиз ; Ньюнес; 217 страниц; 1991 год; ISBN 978-0-7506-9499-5 . (Глава 8 – 19 страниц) 

Справочники по историческим приложениям

• Руководство по аналоговым приложениям (1979, 418 страниц), Signetics. (Операционные усилители в разделе 3)

Исторические справочники

• Linear Databook 1 (1988, 1262 страницы), National Semiconductor. (Операционные усилители в разделе 2)
• Справочник по линейным и интерфейсным устройствам (1990 г., 1658 страниц), Motorola. (Операционные усилители в разделе 2)
• Линейный справочник (1986, 568 страниц), RCA.

Исторические данные

• LM301, Одиночный BJT-операционный усилитель, Texas Instruments
• LM324, четырехбитовый операционный усилитель, Texas Instruments
• LM741, Одиночный биполярный операционный усилитель, Texas Instruments
• NE5532, двойной BJT-операционный усилитель, Texas Instruments (NE5534 аналогичен синглу)
• TL072, Операционный усилитель с двойным полевым транзистором JFET, Texas Instruments (TL074 — Quad)

Внешние ссылки

• Коллекция схем операционных усилителей - National Semiconductor Corporation
• Операционные усилители — глава «Все о схемах»
• Коэффициент усиления контура и его влияние на производительность аналоговой схемы. Введение в коэффициент усиления контура, коэффициент усиления и запас по фазе, стабильность контура.
• Простые измерения на операционном усилителе. Как измерить напряжение смещения, ток смещения и смещения, коэффициент усиления, CMRR и PSRR.
• Операционные усилители. Вступительный онлайн-текст Э. Дж. Мастаскуса ( Университет Бакнелла ).
• Введение в каскады операционных усилителей, фильтры второго порядка, полосовые фильтры на одном операционном усилителе и простой интерком.
• Проектирование МОП-операционного усилителя: обзор учебного пособия
• Прогнозирование шума операционного усилителя (все операционные усилители) с использованием точечного шума
• Основы операционных усилителей. Архивировано 2 июня 2009 г. на Wayback Machine.
• История операционных усилителей, от электронных ламп до примерно 2002 г.
• Интервью Боба Пиза об исторических операционных усилителях Loebe Julie
• www.PhilbrickArchive.org – бесплатный репозиторий материалов Джорджа А. Филбрика / Исследования – Operational Amplifier Pioneer
• В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями? Архивировано 15 марта 2013 г. в журнале Wayback Machine , Electronic Design Magazine.