Привет, Вы узнаете о том , что такое усилители в интегральном исполнении, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое усилители в интегральном исполнении , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

До сих пор мы говорили только об усилителях, строящихся из обычных дискретных компонентов. Но в радиотехнике все большее значение приобретают интегральные усилители, применяющиеся как на низких, так и на высоких частотах. Вообще, проблема проектирования интегральных микросхем, хотя и крайне важна, но в настоящей книге описывается лишь вскользь. Однако читатель должен понимать, что многие из представляемых решений на биполярных транзисторах находят применение в первую очередь внутри интегральных микросхем, выполняемых либо как приборы многофункциональные, либо ориентированные только на выполнение одной функции усиления сигналов (операционные усилители).

Схемотехника интегральных усилителей обладает рядом особенностей, которые мы практически не затрагивали при предыдущем описании низкочастотных и высокочастотных усилителей. Все эти особенности продиктованы в первую очередь теми ограничениями, которые присущи технологии производства самих интегральных микросхем.

Во-первых, внутри микросхем крайне затруднена реализация емкостей и индуктивностей. Это приводит к тому, что единственным способом связи между каскадами в многокаскадных усилителях оказывается непосредственная связь, т.е. интегральные усилители неизбежно являются усилителями постоянного тока. Для формирования частотной характеристики такого усилителя применяются внешние по отношению к микросхеме корректирующие цепи на дискретных элементах. Данное ограничение приводит к существенным проблемам при согласовании каскадов и вынуждает включать в состав схем множество дополнительных цепей, использования которых можно было бы избежать при применении дискретных компонентов (как правило, разработчики микросхем не слишком ограничены числом применяемых в усилителе транзисторов, так что наличие большого количества дополнительных цепей различного функционального назначения создает проблему только для тех, кто пытается разобраться в том, как работает та или иная микросхема).

Второй особенностью интегральной технологии являются трудности в реализации на одной кремниевой пластине транзисторных структур различных типов (биполярных и полевых). Таким образом, интегральные усилители могут строиться либо только на основе биполярных транзисторов, либо только на основе полевых транзисторов (конечно, технологии совершенствуются, и данное ограничение иногда можно обойти).

Третий аспект связан с режимами работы транзисторов в интегральных усилителях. Желание минимизировать токи потребления приводит к появлению совершенно особенных транзисторных структур, работающих при очень низких токах и напряжениях. Такие транзисторы в дискретном исполнении не встречаются и требуют особого изучения.

При проектировании усилителей на дискретных компонентах приходится рассчитывать температурные режимы для каждого транзистора в отдельности. В интегральных схемах это не так. Поскольку все приборы расположены на одном кристалле, то разогрев одного из них автоматически означает разогрев и всех остальных до той же температуры (конечно же, это не происходит мгновенно), т.е., как правило, нет необходимости в отслеживании температурного режима "по персоналиям". Но, с другой стороны, проблема температурной стабильности становится одной из важнейших, поскольку рабочая температура всех каскадов усилителя может колебаться в очень широком диапазоне.

В интегральной микросхеме невозможно создать разделительные конденсаторы емкостью больше нескольких десятков пикофарад; поэтому схемы разрабатываются, как правило, в виде усилителей постоянного тока. Стандартным входным каскадом у интегральной микросхемы является дифференциальный усилитель, поскольку он гарантирует малый дрейф и обеспечивает наличие инвертирующего и неинвертирующего входов. В большинстве интегральных микросхем в качестве выходных каскадов применяется эмиттерный повторитель того или иного вида, благодаря чему выходное сопротивление оказывается малым.

На рис. 8.11 показано внутреннее устройство интегрального усилителя. Схема начинается с непременного дифференциального каскада (на транзисторах Т{ и Т2), затем включает в себя усилитель напряжения (на транзисторе Г3) и в качестве выходного каскада имеет эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах (Г4 и Т5), работающий в режиме АВ. Диоды Dj и D2 обеспечивают смещение выходных транзисторов, достаточное для того, чтобы минимизировать искажения типа «ступеньки» (см. разд. 5.17).

Рассматривая схемы интегральных усилителей, предоставляемые производителями, иногда может оказаться затруднительным увидеть даже приблизительное сходство со схемой, приведенной на рис. 8.11. Это происходит не из-за принципиальных различий, а потому, что самыми дешевыми компонентами из всех — с точки зрения изготовления внутри интегральной микросхемы — являются транзисторы; когда можно в какой-либо части схемы использовать транзистор вместо резистора, то так и поступают. Кроме того, иногда при создании методами диффузии различных транзисторов на одной кремниевой подложке расположенные рядом слои с примесями образуют нежелательные «паразитные» транзисторы, и бывает

Рис. 8.11. Схематическое изображение типичного интегрального усилителя.

необходимо либо намеренно включить эти транзисторы в схему, либо свести их влияние к минимуму. Результатом таких конструктивных ограничений иногда является то, что схему трудно интерпретировать на том языке, каким принято описывать ее эквивалент из дискретных компонентов. Однако читатель может быть уверен, что большинство интегральных усилителей ведет себя так, как если бы они выглядели наподобие схемы, показанной на рис. 8.11.

усилители в интегральном исполнении

Интегральные линейные микросхемы включают в себя усилительные каскады, рассмотренные в гл. 4, а также их комбинации и модернизированные варианты. Они отличаются от усилителей, выполненных на дискретных элементах, только методами изготовления отдельных компонентов схем и технологией изготовления законченных функциональных узлов. В большинстве случаев принципиальные схемы интегральных усилителей выглядят значительно сложнее своих дискретных аналогов. Это объясняется тем, что если для незначительного улучшения каких-либо параметров усилителя требуется ввести один или несколько дополнительных транзисторов, их, как правило, вводят, зная, что стоимость изготовления от этого существенно не изменится.

Таким образом, интегральный усилитель представляет собой законченный функциональный блок, изготовленный в одном корпусе, имеющий параметры заданные в технических условиях, в принципиальную схему которого нельзя внести никаких изменений, не предусмотренных при его проектировании.

При подключении требуемых напряжений питания и выполнении необходимых соединений такой законченный функциональный блок имеет параметры, указанные в отраслевых стандартах на применение данного усилителя.

При использовании интегральных микросхем отпадает необходимость в расчете, сборке и настройке отдельных каскадов. В этом случае на первый план выдвигаются вопросы согласования отдельных микросхем, введения цепей ОС, обеспечивающих получение необходимых параметров, обеспечения устойчивости всей системы, охваченной цепями ОС, и т. д.

В настоящее время промышленностью разработано и выпускается значительное количество различных микросхем, в которых усилители являются лишь одним из функциональных узлов среди узлов другого назначения. Для того чтобы различать, какую функцию выполняет конкретная микросхема, принята система условных обозначений, отражающая их принадлежность к определенным сериям, классам и группам.

Серия объединяет ряд отдельных функциональных схем по технологическому признаку, согласованности по напряжениям источников питания, уровням сигналов, входным и выходным сопротивлениям, конструктивному оформлению и способам крепления и монтажа. Серии стремятся разрабатывать так, чтобы из микросхем, входящих в нее, можно было построить законченное устройство.

Условное обозначение микросхем состоит из следующих элементов.

Первый элемент — цифра, обозначающая группу макросхемы. По конструктивно-технологическим признакам микросхемы подразделяют на три группы, которым присвоены обозначения: 1; 5; 6; 7 — полупроводниковые (7 — бескорпусные); 2; 4; 8 — гибридные; 3 — прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т. д.); второй — две - три цифры, обозначающие порядковый номер разработки серии микросхем. Эти элементы определяют серию микросхемы; третий — две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы в соответствии с табл. 5.1; четвертый — порядковый номер разработки ИС в данной серии.

Таблица 5.1

Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, определяющая технологический разброс параметров данного гипономинала, например 133ЛА1Б.

Буквы К, КР, КМ, КЕ, КА, КИ перед условным обозначением характеризуют условия их приемки и особенности конструктивного выполнения. Буква К указывает, что эта микросхема широкого применения; Р — пластмассовый корпус: М - металлический, металлокерамический, стеклокерамический корпус; Е — металлополимерный корпус; А — пластмассовый плапарного типа; И — стеклокерамический планарный.

Для ИС, выпускаемых на экспорт и отличающихся шагом выводов, перед буквой К присутствует буква Э, например Э561ЛС2.

Для бескорпусных ИС перед номером серии добавляют букву Б и через дефис вводят цифру (1—6), характеризующую модификацию конструктивного выполнения, например: 1 — с гибкими выводами; 2 - с ленточными выводами и т. д.

Промышленностью изготовляются транзисторные сборки (несколько идентичных транзисторов, выполненных в одном корпусе), однокаскадные и многокаскадные усилители.

Так, в частности, выпускаются: эмиттерные и истоковые повторители усилители низкой частоты и др.), в том числе и малошумящие усилители мощности и оконечные усилители широкополосные усилители , в том числе и видеоусилители усилители высокой частоты усилители с логарифмической характеристикой дифференциальные усилительные каскады ЗУД 1); каскодные усилители двухкаскадные усилители усилители-ограничители ; операционные усилители (серии 140, 153, 154, 157, 544, 551, 553, 574, 740, 1401, 1407, 1408, 1409) и др.

В каталогах и информационных листках обычно приводятся принципиальные схемы микросхем. Однако для практического использования надо иметь руководства по применению, выпускаемые в виде отраслевых стандартов. В них приведены схемы соединения выводов микросхем и рекомендуемые параметры навесных компонентов. Без руководства по применению создавать устройства с заданными параметрами сложно из-за того, что принципиальная схема представляет собой сочетание большого количества соединенных непосредственно активных и пассивных элементов, параметры которых неизвестны.

В простейших случаях, как например, в случае, показанном на рис. 5.2, а, проектировщик сможет включить микросхему без дополнительных справочных материалов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При этом он должен хорошо знать основы схемотехники усилительных каскадов и учитывать, что имеющиеся в составе микросхемы пассивные цепи выполняют исходя из условия обеспечения нормальной работы усилителя. Так, при создании усилителя с единичным коэффициентом усиления на основе микросхемы с помощью соответствующих внешних соединений можно реализовать истоковый повторитель на транзисторе , аналогичный показанному на рис. 4.21, а. Однако для получения меньшего выходного сопротивления на рис. 5.2, а использован транзистор , который включен с ОЭ. В итоге получена схема с единичным коэффициентом усиления и сниженным выходным сопротивлением, свойства которой аналогичны свойствам каскада рис. 4.49, в.

Подключением затвора 10 транзистора к выводу 5 или 9 можно изменять постоянное напряжение на затворе, а соответственно ток покоя и максимальную амплитуду усиливаемого сигнала.

Возможны и другие схемы включения микросхемы. Для этого от различных элементов сделаны самостоятельные выводы.

Наличие большого количества выводов у микросхем расширяет их функциональные возможности. Выводы спроектированы так, что в отдельные цепи можно включать навесные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, светодиоды и другие нагрузки. Это позволяет осуществлять согласование микросхемы с нагрузкой; менять режимы работы ее усилительных каскадов; устранять отрицательные обратные связи; вводить дополнительные обратные связи; подключать корректирующие цепи, изменяющие АЧХ и ФЧХ усилителя; использовать только необходимое количество элементов микросхемы.

Однако получение определенных значений параметров и их воспроизводимость, как правило, гарантируются только при использовании рекомендованных схем включения и номиналов внешних компонентов.

На рис. 5.2, б приведена принципиальная схема усилителя низкой частоты типа .

В нем при подключении внешних элементов (рис. 5.2, в) на транзисторах выполнен предварительный усилитель, содержащий два каскада с ОЭ. Выходной усилитель собран на транзисторах , причем вместо нагрузочного резистора в коллекторной цепи транзистора может быть установлен трансформатор или другая нагрузка. Через резистор введена отрицательная обратная связь по постоянному току, так как ток базы транзистора зависит от этого сопротивления и . Конденсаторами уменьшается глубина отрицательной ОС в диапазоне рабочих частот. Конденсаторы СЗ, С5 обеспечивают коррекцию амплитудно-частотной характеристики, предотвращая у усилителя потерю устойчивости (самовозбуждение). Коэффициент усиления и другие параметры зависят от навесных компонентов в полосе 20кГц.

Выпускаются мощные усилители, к выходу которых может быть подключена значительная нагрузка. Так, микросхема обеспечивает получение выходной мощности и т. д. Некоторое представление о параметрах усилителей средней и большой мощности дает табл. 5.2. Коэффициент усиления по напряжению микросхем усилителей мощности обычно невелик (4—100). Поэтому для них, как правило, требуется предварительный усилитель, который выполняют на микросхемах малой мощности. В связи с достаточно большим входным сопротивлением мощных микросхем их согласование с предусилителями не вызывает трудностей. При этом емкости разделительных конденсаторов определяют в соответствии с изложенным в § 5.1.

Таблица 5.2

При получении мощностей свыше 0.3 Вт микросхемы надо размещать на теплоотводе (радиаторе), с помощью которого отводится рассеиваемая в ИС теплота. Для получения больших мощностей можно использовать дополнительные навесные транзисторы.

Микросхемы усилителей высокой и промежуточной частот, как правило, выполнены на основе дифференциальных усилительных каскадов, причем для расширения их функциональных возможностей коллекторные выводы транзисторов часто оставляют свободными, как, например, у микросхемы (рис. 5.3, а).

Рис. 5.3. Резонансный усилитель высокой частоты (а) и усилитель преобразователь высокой частоты

Это позволяет включать в цепь коллектора резисторы требуемого номинала или резонансные -контуры. Транзисторы образуют дифференциальный каскад. В коллекторные цепи транзисторов включен резонансный -контур. Чем выше его добротность, тем больше коэффициент усилителя. Сопротивление нагрузки подключается к выходу усилителя с помощью индуктивной связи. Напряжение на вход дифференциального каскада подано несимметрично, так как база транзистора по переменному току соединена с источником питания с помощью конденсатора СЗ. Если вместо резонансного контура в цепи коллекторов включить резисторы, то коэффициент усиления будет постоянный в широкой полосе частот.

При подаче на вывод 13 напряжения другой частоты коэффициент усиления дифференциального каскада будет меняться с этой частотой (см. § 4.8). Произойдет перемножение сигналов и в спектре выходного тока появятся составляющие в частотами Если колебательный -контур настроен на частоту , то в нем «выделится» составляющая сигнала только этой частоты. Микросхема выполняет функции усилителя-преобразователя частоты входного сигнала, причем огибающая выходного сигнала с частотой повторяет огибающую сигнала с частотой при неизменной амплитуде сигнала с частотой .

Коэффициент усиления по напряжению у микросхемы около 10, а верхняя граничная частота усиления (частота, при которой сохраняется гарантированная амплитуда ) равна 150 МГц.

В связи со сложностью усиления на высоких частотах усиливаемый сигнал иногда преобразуют в более низкую промежуточную частоту. Для этого применяют микросхемы усилителей-преобразователей частоты (смесителей), например типа (рис. ). От рассмотренной выше она отличается тем, что в ней имеется возможность создать внутри микросхемы генератор частоты . Для этого к выводу 5 подключен контур (контур гетеродина). Электронная часть, подключенная к контуру, выполняет роль отрицательного сопротивления и поддерживает в нем автоколебания амплитудой . Шунтирующие контур элементы вводятся для стабилизации режима генерации. Кроме того, в микросхеме имеется двухкаскадный предварительный усилитель на транзисторах , которые с помощью внешних соединений включаются в схему с ОЭ с непосредственной связью между каскадами.

Сложность, степень интеграции и функциональные возможности интегральных усилителей непрерывно повышаются. Целью этого является получение возможностей создавать на основе одной микросхемы крупные блоки электронного устройства.

Операционные усилители в интегральном исполнении, их структура, свойства, назначение, основные электрические параметры, частотные характеристики

Первый интегральный операционный усилитель µA702 разработал в 1963 году сотрудник компании Fairchild Semiconductor Роберт Видлар. Прибор содержал всего лишь 9 транзисторов, но стоил целых 300 долларов, что позволяло применять его только в разработках для военной промышленности. Но в целом это был огромный шаг вперед, одно из величайших открытий в электронике.

Уже в 1965 году Роберт Видлар сконструировал операционный усилитель µA709, который стоил в производстве намного дешевле, всего 10 долларов. И даже такая цена не позволяла применять его для бытовой техники, но была вполне приемлема для промышленной автоматики и т.п. задач.

В 1967 году Видлар перешел на работу в National Semiconductor, где под его руководством разработали LM101, имевшую лучшие характеристики. В 1968 году компания Fairchild выпустила µA741, имевший внутреннюю частотную коррекцию, что сделало его работу еще более стабильной – операционный усилитель с внутренней коррекцией не склонны к самовозбуждению.

Как уже было сказано основное назначение операционного усилителя – выполнение математических операций над аналоговыми переменными, представленными напряжениями (суммирование, интегрирование, умножение и т.д.). Но впоследствии выяснилось, что ОУ очень универсальный элемент, и его применение просто безгранично: усиление сигналов, активные частотные фильтры, генераторы, компараторы и многое другое.

Сейчас операционные усилители выпускаются в таких количествах, что без их применения обойтись просто невозможно. К тому же цена этих электронных изделий в некоторых случаях очень низкая, а возможности весьма высоки. В одном корпусе размещается уже сразу несколько операционных усилителей, микропотребление энергии и очень низкий уровень собственных шумов приближают реальные усилители к идеальным. Все это позволяет применять операционные усилители даже в профессиональной звуковой аппаратуре (многоканальные микшеры), делает их просто незаменимыми.

Конечно, история появления и развития операционных усилителей намного длиннее и, наверно, интересней, но пока ограничимся этими сведениями.

СДУ – симметричный дифф усилитель. Назначение в том, чтобы максимально ослабить дрейф нуля. НДУ – несимметричный дифф усилитель. Нужен для обеспечения связи выхода с общей точкой. ОК – схема с общим коллектором. Необходима для уменьшения выходного сопротивления и увеличения мощности выходного сигнала. Операционные усилители, как правило, допускают выходной ток порядка нескольких миллиампер. Зав-ть вых напр-я операц усил-ля от напр-я на входе, наз-ют передаточной характеристикой. При этом реальный операц усилитель имеетUвых0 при Uвх=0. это напр-е – напряжение смещения нуля. Это не является признаком дрейфа, а вызвано несимметричностью конкретного экземпляра операционного усилителя при его изготовлении.

Для реальных: Uсмещения составляет десятки, сотни милливольт. С пом-ю регулировочных резисторов это смещение нуля компенсируется.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению реального операционного усилителя может составлять от десятков тысяч до нескольких миллионов, то рабочий диапазон изменения входных напряжений очень мал. Для его расширения используют ООС.

Основными параметрами входных цепей операционного усилителя являеся:

входное сопротивление, входные токи по обоим входам, разность и дрейф входных токов, максимальное дифф входное сопротивление, максимальное синфазное входное напряжение, синфазная ошибка и т.д.

Выходными является: выходное сопротивление, мах выходное напряжение, выходной ток (ток нагрузки).

Как обозначаются операционные усилители на электрических схемах

Как и все радиодетали операционных усилителей обозначаются на схемах при помощи УГО – условных графических обозначений. Обозначения могут быть весьма разнообразны, хотя, в общем, обозначают одно и то же. При первом знакомстве со схемами на операционных усилителях возникают сомнения, вдруг что-то сделаю не так, вдруг все просто сгорит.

Если не брать во внимание внутреннее устройство операционных усилителей, кстати, достаточно сложное на первый взгляд (уж таковы традиции интегральной электроники), внешне операционники выглядят просто и логично. Дальнейшее описание коснется как раз внешних выводов и их использования в различных схемах.

Современный операционный усилитель имеет, как правило, два входа, один выход и два вывода для подключения питания. Это минимальный «джентльменский» набор. Кроме упомянутых выводов могут присутствовать выводы для подключения элементов частотной коррекции, выводы для балансировки (подстройки нуля на выходе). Различные УГО для операционных усилителей показаны на рисунке 1. Рассмотрим их насколько возможно подробно.

Рисунок 3.

На рисунке 1а и 1б корпуса операционного усилителя показаны в виде равнобедренного треугольника. Да, это не более, чем корпус микросхмы. С левой стороны располагаются 2 входа: инвертирующий (обозначается знаком «минус» или маленьким кружочком) и неинвертирующий (обозначается знаком «плюс» или рисуется просто без кружочка). Замечание: если схема нарисована по «правилам хорошего тона», то все входы находятся слева, а выходы справа рассматриваемого элемента. Вспомогательные выводы, например, коррекции, питания, могут располагаться как угодно.

Вот, как раз в правом углу треугольника находится вывод с надписью «Выход», а сверху и снизу показаны выводы для присоединения питания, чаще всего двух полярного. Чтобы не перегружать, не затуманивать схему выводы, питания чаще всего, не показываются. Их присоединение указывается просто в примечаниях к схеме.

Корпус операционного усилителя может изображаться в виде прямоугольника, как показано на рисунке 1в. Все остальные части этого рисунка те же, что и случае треугольного корпуса.

Корпуса операционных усилителей

Современная полупроводниковая технология достигла таких совершенств, что число полупроводниковых структур в одном корпусе просто не поддается учету. Достаточно вспомнить современные микропроцессоры, количество транзисторов в которых исчисляется миллиардами штук. Поэтому разместить в одном корпусе несколько операционных усилителей, содержащих всего-то несколько десятков транзисторов дело даже очень простое.

Рисунок 4.

Расположение выводов операционных усилителей различного типа в одних и тех же корпусах одинаково, что позволяет очень просто их заменять, особенно в случаях, когда операционные усилители установлены в разъемах - панельках. Но, в то же время, операционные усилители одного типа может быть изготовлен в совершенно разных корпусах. Это разнообразие требуется в условиях массового и крупносерийного производства в основном для удобства разработки печатных плат и всей конструкции электронного устройства.

На рисунке 3 показаны операционные усилители, выполненные в корпусах DIP8, DIP14.

Рисунок 5.

На рисунке 4 показан операционный усилитель типа 4558 в корпусе типа SIP-8 - однорядный восьмивыводный корпус.

Рисунок 6.

В настоящее время все большую популярность завоевывают операционные усилители в корпусах для поверхностного монтажа – SMD.

Рисунок 7.

Идеальный операционный усилитель

Чтобы лучше понять принципы построения схем с применением операционных усилителей часто пользуются понятием идеального операционного усилителя. В чем же его идеальность, его чудесные свойства? Их не так уж много, но все они стремятся либо к нулю, либо и вовсе к бесконечности. Но так ведет себя операционный усилитель не охваченный обратной связью (ОС) и вообще не имеющий никаких внешних подключений.

Об обратной связи и некоторых схемах включения операционных усилителей в этой статье постараемся рассказать без упоминания громоздких математических формул с интегралами. Но некоторых, совсем простых и понятных, на уровне восьмого класса школы, которые помогут понять общий смысл, все-таки не избежать.

Коэффициент усиления

При таком «необузданном» коэффициенте усиления достаточно на его входы подать всего несколько микровольт (например, сетевая наводка), чтобы получить на выходе напряжение близкое к напряжению питания 15В. Такое состояние говорит о насыщении выхода.

Здесь уместно вспомнить такое же состояние у транзисторов. Естественно, что в таком виде не получается вовсе никакого усиления. Поэтому реальные операционные усилители всегда охвачены отрицательной обратной связью, о которой будет рассказано чуть ниже.

Хотя надо заметить, что достаточно часто операционные усилители используются и без обратной связи, а в ряде случаев и с положительной обратной связью. Такое применение встречается в компараторах – устройствах для точного сравнения аналоговых сигналов. Компараторы выпускаются в виде специализированных микросхем, а также входят в состав других микросхем. Достаточно вспомнить легендарный интегральный таймер NE555, который содержит внутри себя сразу два компаратора.

Почти недавняя история

В свое время отечественная электронная промышленность тоже освоила выпуск операционных усилителей. Первым операционным усилителем был К1УТ401А(Б), впоследствии переименованный в К140УД1 с теми же буквами на конце. Так вот, будучи почти точной копией американского собрата UA702, аналог с буквой А при напряжении питания ±6В имел коэффициент усиления в пределах 500…4500, а с буквой Б (±12В) 1500…13000.

По современным меркам это просто смешно, но, тем не менее, эти архаичные усилители еще вполне можно встретить. Но даже при таких «маленьких» коэффициентах усиления, без отрицательной обратной связи обойтись было нельзя.

И вот как раз появление операционных усилителей в интегральном исполнении ввело этот универсальный компонент в промышленные, бытовые и радиолюбительские схемы. Ведь согласитесь, что операционный усилитель на электронных лампах или даже транзисторный вариант, кроме как в АВМ оборонного назначения использовать было нельзя.

Входы и выходы операционных усилителей

Операционный усилитель имеет два входа и один выход, ну и, конечно, два вывода для подачи напряжения питания. Это минимальный набор выводов, жизненно необходимый. Именно такой он у большинства современных операционных усилителей. Когда-то были выводы для подключения элементов частотной коррекции и балансировки.

Питание чаще всего двухполярное со средней точкой, что дает возможность осуществлять усиление по постоянному напряжению. В этом случае принято считать, что частотный диапазон операционных усилителей начинается от 0Гц, а верхняя частота ограничивается как собственно типом операционного усилителя, его внутренней схемой и типом транзисторов, так и схемой его включения.

Полоса пропускания идеального операционного усилителя простирается от постоянного тока до бесконечности. Также к бесконечности стремится и быстродействие или скорость нарастания выходного сигнала. Но этот вопрос пока рассматривать не будем.

Что усиливает операционный усилитель

Выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности напряжений на его входах. При этом абсолютный уровень сигналов, а также их полярность особой роли не играют. Значение имеет только разность. И коль скоро все термины в электронике произошли от английского языка, то самое время вспомнить слово «different», что в переводе означает разнородный, разностный (словарь «Мультитран»), а сами усилители такого принципа действия получили название дифференциальных.

Что не усиливает операционный усилитель

Тут можно вспомнить еще о таком чудесном свойстве операционных усилителей, как ослабление синфазного сигнала: если на оба входа подать один и тот же сигнал, то он усиливаться не будет. Этим пользуются при подаче сигнала по длинным проводам: полезный сигнал имеет разную фазу, в то время, как сигнал помехи на обоих входах один и тот же.

Что можно получить на выходе операционного усилителя

Выходное сопротивление идеального операционного усилителя стремится к нулю, что теоретически позволяет получить на выходе сигнал сколь угодно большой, просто бесконечный. На самом деле выходное напряжение реального операционного усилителя ограничено напряжениями источников питания: если двухполярное питающее напряжение, например, ±15В, то получить на выходе +20 или -25 просто невозможно.

Это, что касается усиления постоянных напряжений. В случае усиления, например, синусоиды на выходе должна получиться тоже синусоида, амплитуда которой не превышает напряжение питания.

Входное и выходное напряжения не могут быть выше, чем напряжение источников питания. Например, при питании ±15В выходное напряжение ниже на 0,5…1,5В. Но некоторые современные микросхемы позволяют получить на выходе и входе равное напряжению питания. Это свойство в даташитах обозначается как Rail-to-Rail, буквально как от «шины до шины». При выборе операционного усилителя на это свойство следует обращать внимание.

Входное сопротивление

Входное сопротивление обоих входов операционного усилителя очень велико и находится в пределах сотен МегаОм, а в некоторых случаях даже ГигаОм. Для сравнения: упомянутые выше К1УТ401 имели входное сопротивление всего несколько десятков КОм.

Входное сопротивление, конечно, не достигает бесконечности, как у идеального операционного усилителя, но все равно настолько велико, что не оказывает влияния на уровни входных сигналов. Отсюда можно сделать вывод, что во входах ток не течет. Это один из главных принципов, применяемых при расчете и анализе схем на операционных усилителях. Пока его надо просто запомнить.

Последнее высказывание относится непосредственно к операционным усилителям. Такое высокое входное сопротивление присуще самому операционным усилителям, но входное сопротивление различных схем на его основе может быть намного ниже. Об этом обстоятельстве следует помнить всегда. А вот теперь будьте внимательны, начинается рассказ о самом главном.

Отрицательная обратная связь cвязь (ООС)

ООС это есть не что иное, как связь выхода с входом, при котором из входного сигнала вычитается часть выходного. Такая связь ведет к снижению усиления. В отличие от ООС существует положительная обратная связь (ПОС), которая наоборот суммирует входной сигнал с частью выходного. Такие связи применяются не только в электронной технике, но во многих других случаях, например, в механике. Воздействие этих обратных связей можно характеризовать так: ООС ведет к стабильности работы системы, положительная приводит к ее неустойчивости.

Применительно к операционным усилителям, о которых идет речь, ООС позволяет с достаточной точностью установить коэффициент усиления, а также приводит еще ко многим качественным и даже приятным улучшениям схемы. Но сначала надо разобраться, как работает ООС. В качестве примера рассмотрим схему, которую можно встретить в любом учебнике по автоматике.

Рисунок 1.

Выходной сигнал игнал U.вых. с выхода проходит на суммирующее устройство (кружок с плюсиком внутри) через цепь ООС с коэффициентом передачи β, в данном случае, меньше единицы. Если же этот коэффициент сделать больше единицы, что технически возможно, то вместо усиления сигнала получим его ослабление. Но пока будем считать, что нам требуется именно усиление.

Обрыв ООС это просто авария

Если петлю обратной связи разорвать, то напряжение на выходе операционного усилителя получится U.вых.=K*U.вх. Теоретически громадная величина. На самом же деле она будет ограничена величиной напряжения питания. Об этом было уже сказано ранее. Аналогичный пример: если это будет электродвигатель со стабилизацией оборотов (тоже обратная связь), то он просто разгонится насколько возможно. В таком случае говорят, что система пошла «вразнос».

Проходя через цепь цепь ООС, выходной сигнал ослабляется на величину β*U.вых. Поэтому до входа усилителя через сумматор доходит только (U.вх.-β*U.вых.) Знак «минус» говорит о том, что обратная связь отрицательная. После прохождения через устройство с коэффициентом усиления K на выходе получится U.вых.= K*(U.вх.-β*U.вых.). В свою очередь коэффициент усиления всей системы K.ус.=U.вых./U.вх. и получается, что U.вых.=K*

После некоторых преобразований можно получить такой результат: K.ус.=U.вых./U.вх.= K*U.вх./U.вх.*(1+ K*β)= K/(1+ K*β)

Все эти преобразования привели к несложной формуле K.ус.=K/(1+ K*β). Если предположить, что K в достаточно велик (а в случае с использованием операционного усилителя это действительно так), то единица в скобках особой погоды не сделает, ее можно отбросить, в результате чего формула примет следующий вид:

K.ус.=1/β

Полученная формула, (собственно из-за которой и был нагорожен весь забор из формул) позволяет утверждать, что коэффициент передачи операционного усилителя в схеме с обратной связью ни в коей мере не зависит от коэффициента усиления самого операционного усилителя, а определяется лишь параметрами цепи обратной связи, ее коэффициентом передачи β. Но, тем не менее, чем выше коэффициент усиления собственно операционного усилителя, тем более точные результаты дает указанная формула, тем стабильней работает схема.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Исследование, описанное в статье про усилители в интегральном исполнении, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое усилители в интегральном исполнении и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.