Операционный усилитель, оу, операционник. свойства. характеристики. математическая модель. классификация

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

Индустриальные — дешевый вариант.
Презиционные (точная измерительная аппаратура).
Электрометрические (малое значение Iвх).
Микромощные (потребление малого I питания).
Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
Низковольтные (работают при U<3 В).
Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
С низким уровнем шума.
Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
Усилительные каскады готового типа.
Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

С 2 входами.
С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

V+ — неинвертирующий вход.
V- — инвертирующий вход.
Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Развитие технологий производства ОУ STMicroelectronics

При разработке новых ОУ инженеры компании STMicroelectronics уделяют первостепенное значение трем направлениям:

уменьшение габаритов ОУ, применение миниатюрных корпусов (DFN, QFN, SOT-23 и SC-70);
уменьшение потребления, в том числе за счет создания ОУ со сверхнизкими напряжениями питания;
улучшение метрологических характеристик: уменьшение напряжения смещения и его дрейфа, снижение входного тока, уровня шумов и т.д.

Очевидно, что качественное улучшение характеристик ОУ возможно только за счет совершенствования и создания новых технологий производства. За последние 5 лет компания STMicroelectronics последовательно внедрила и освоила все основные технологии производства ОУ (рисунок 1).

Рис. 1. Развитие технологий производства ОУ STMicroelectronics

Самыми современными из технологий на данный момент являются КМОП 5 и 16 В. Новые семейства ОУ, выполненные по этим технологиям, отличаются малыми габаритами, сверхнизким потреблением, широким диапазоном питающих напряжений (1.5…16 В), низкими значениями входных токов и напряжений смещения.

Кроме совершенствования характеристик ОУ, компания STMicroelectronics стремится сделать их использование максимально комфортным для разработчиков. Это значит, что выбирая усилитель производства STMicroelectronics, разработчик получает не только высококачественный компонент, но и широкую информационную поддержку. Она включает:

документацию, содержащую максимально подробную информацию с точным и полным описанием параметров в виде таблиц и графиков. В качестве примера можно привести документацию на семейство TSX56x, в которой приводится: более 70 (!) различных параметров, гарантированных производителем, более 20 графиков, расчетные формулы. Настолько подробных данных не предоставляет ни один из конкурентов;
бесплатные математические модели ОУ, в том числе SPICE;
бесплатный онлайн инструмент для проектирования и моделирования eDesignSuite.

Типовое включение операционника

Понятно, что усилитель с бесконечным усилением, или даже с усилением в 10 000 раз нам не нужен. Чтобы получить нужный нам коэффициент усиления, применяется отрицательная обратная связь. Часть напряжения с выхода усилителя подается на его инвертирующий вход. Таким образом, ограничивается коэффициент усиления, и снижаются искажения. ОУ действительно позволяет без проблем построить усилитель с заданным коэффициентом усиления.

[Коэффициент усиления] = ([Сопротивление резистора R1] + [Сопротивление резистора R2]) / [Сопротивление резистора R1] Приведенное соотношение точно выполняется при бесконечном коэффициенте усиления операционника и приблизительно — при высоких, но конечных его значениях.

Вспомним о том, что реальный операционный усилитель имеет конечное быстродействие. То есть он задерживает выходной сигнал по отношению к входному. В этом случае отрицательная обратная связь совсем не так хороша, как в идеальном. На рисунке приведен выходной сигнал приведенной схемы в случае идеального и реального ОУ, когда разность напряжений на входах отвесно возрастает с нуля до 1 вольта.

Более того, на определенной частоте сдвиг выходного сигнала относительно входного может достигнуть такой величины, что отрицательная обратная связь превратится в положительную, и начнется генерация на этой частоте. Применение цепей коррекции, снижающих усиление на высоких частотах, позволяет избежать генерации, но ухудшает усилитель. Используя такой подход, можно построить приличный усилитель, рассчитанный на усиление сигнала определенной формы и частоты, но не широкополосный усилитель.

Второй пример схемы для работы с переменным напряжением

В данной схеме на уровне -3 дБ можно видеть соответствие частоте 17 Гц. На ней у конденсатора импеданс оказывается на уровне двух килоом. Поэтому конденсатор должен быть достаточно большим.

Чтобы построить усилитель переменного тока, необходимо использовать неинвертирующий тип схемы на операционных усилителях. И у него должен быть достаточно большой коэффициент усиления по напряжению. Но вот конденсатор может быть чересчур большим, поэтому лучше всего отказаться от его использования. Правда, придется правильно подобрать напряжение сдвига, приравняв его по значению к нулю. А можно применить Т-образный делитель и увеличить значения сопротивлений обоих резисторов в схеме.

Развитие операционных усилителей

Дальнейшие работы в области развития операционных усилителей перенесены (1947 год) в Колумбийский университет Нью-Йорка. Деятельность контролировалась и направлялась профессором Джоном Рагаццини. В ходе разработок найдена схема из двух триодов (прежде их насчитывалось три), но по вполне понятным причинам о конструкции мало имеется сведений и поныне. Автором называют Джули Лоебе. Нагрузка схемы возросла в разы и составила 300 кОм.

Именно в схеме Джули Лоебе появляются два входа вместо одного инвертирующего: инвертирующий и не инвертирующий. На каждом по-прежнему возможно вести сложение напряжений. Это качество используется и сегодня – нового не придумано. Дифференциальный вход компенсирует дрейф шумов, но они остаются большими в случае необходимости усиления субмилливольтных сигналов. Вносят погрешность тепловой уход рабочей точки и долговременные флуктуации. Затруднение решается использованием чоппера (нарезка напряжения на высокочастотные импульсы). Схема предложена в 1949 году Эдвином Гольдбергом.

Дрейф снижается на величину коэффициента передачи чоппера. Побочным преимуществом становится возможность использования низких частот, в том числе и постоянного напряжения. Благодаря наличию обратной связи чоппер может давать коэффициент усиления до 100 дБ, а в сумме схема Гольдберга обеспечивает 163 (150.000.000 раз). У новинки было несколько ограничений:

Первые схемы с чопперами работали только в инвертирующем режиме. Реализация обычного требовала включения в схему слишком большого количества каскадов.
На момент 1949 года не существовало концепции силовых ключей. Нарезка выполнялась механическими устройствами. Ситуация решена уже в полупроводниковой технике, и сегодня каждый импульсный блок питания включает чоппер на тиристоре (симисторе).

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения. В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае – это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В. В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно – на рисунке ниже.

ОУ с микропотреблением Micro power

ОУ из группы Micro power имеют ток потребления менее 100 мкА и выпускаются в миниатюрных исполнениях (таблица 2). Это делает их идеальным решением для большинства портативных приборов и гаджетов.

Таблица 2. Основные характеристики семейств ОУ Micro power

Параметр	Наименование
TSV52x	TSV61x	TSV62x	TSV63x	TSX63x
Число ОУ в корпусе	1; 2; 4	1; 2	1; 2; 4	1; 2; 4	1; 2; 4
Ток потребления при 25°C (макс), мкА	45	12	29	60	60
Напряжение питания, В	2.7…5.5	1.5…5.5	1.5…5.5	1.5…5.5	3.3…16
Напряжение смещения при 25°C (макс), (мВ)	0.8 (версия A); 1.5	0.8 (версия A); 4	0.8 (версия A); 4	0.5 (версия A); 3	0.5 (версия A); 1
Входной ток (Ibias) (макс), пА	10	10	10	10	100
Частота (тип), МГц	1.15	0.12	0.42; 1.3	0.88; 2.4	0.2
Выходной ток (тип), мА	55	20	69	69	90
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц	57	105; 110	70; 77	60; 65	60
Рабочая температура, °C	-40…125	-40…85	-40…125	-40…125	-40…125
Исполнение Automotive	есть	–	–	есть	есть

Серия TSV52x имеет сходные параметры с семейством TSX56x, но предназначена для работы с напряжениями питания в диапазоне 2.7…5.5 В.

Главным преимуществом этих ОУ является малое значение тока потребления – всего 45 мкА.

Области применения также сходны с областями применения TSX56x, но со смещением в сторону низковольтных приложений.

Семейство TSV6x показывает, что выделение групп ОУ является достаточно условным. С одной стороны ОУ TSV6x имеют малое потребление, а с другой – малые значения напряжения смещения и входных токов. Таким образом, усилители TSV6x, по сути, являются прецизионными с малым значением потребляемой мощности.

Семейство работает со сверхнизкими напряжениями питания 1.5…5.5 В. Типовой ток потребления составляет 12 мкА, 29 мкА и 60 мкА для TSV61x, TSV62x и TSV63x соответственно.

Дополнительного сокращения потребления можно добиться, используя режим пониженного потребления Shutdown, аналогичный TSX92x, реализованный в TSV62x и TSV63x. При нахождении ОУ в этом состоянии потребляемый ток не превышает 1,5 мкА во всем температурном диапазоне (типовое значение при 25°C составляет 2.5 нА (!)).

Существуют версии ОУ с уменьшенным напряжением смещения – 0.8 мВ для TSV61x и TSV62x, 0,5 мВ для TSV63x. Эти исполнения традиционно маркируются литерой «A» в наименовании компонента.

Все это определяет возможность использования этих ОУ в измерительных цепях различных портативных приборов и в автономных датчиках задымления. Кроме того, они могут применяться для построения активных фильтров, быстродействующих фотоприемников, измерителей тока в низковольтных системах.

Версии TSV632IY и TSV634IY разработаны для автомобильных приложений.

Семейство TSV6x имеет характеристики, сходные с характеристиками TSV6x, но предназначено для работы с напряжениями питания 3.3…16 В.

Областями применения этих ОУ в первую очередь являются приложения с жесткими условиями эксплуатации – промышленная и автомобильная электроника.

Краткий обзор новых семейств ОУ

В полном соответствии с выбранными направлениями, новые семейства ОУ могут быть объединены в несколько основных групп (рисунок 2):

LOW POWER – ОУ с низким потреблением мощности. Ток потребления для ОУ из этой группы не превышает нескольких миллиампер. При этом для некоторых семейств напряжение питания может достигать 16 В. Эти ОУ обладают высокой живучестью (способны работать в расширенном температурном диапазоне -40…125°С, имеют встроенную защиту от статики) и идеально подходят для промышленных приложений и автомобильной электроники.
MICRO POWER – наиболее универсальная и совершенная группа ОУ. Сочетает низкие значения тока потребления (менее 100 мкА), низкие входные токи (типовое значение 10 пА для большинства семейств) и малые напряжения смещения (0,8 мВ для большинства семейств).
NANO POWER – группа включает одно семейство – TSU1x, главной особенностью которого является сверхмалое значение тока потребления, не превышающее нескольких сот наноампер.
Прецизионное семейство TSV7x с начальным напряжением смещения менее 0.2 мВ (25°С), и менее 1.2 мВ во всем рабочем температурном диапазоне (-40…125°С).
Прецизионное семейство TSZx с нулевым напряжением смещения.

Рис. 2. Портфолио новых ОУ производства компании STMicroelectronics

Следует четко понимать, что такое разделение на группы носит условный характер. Анализ показывает (рисунок 3), что прецизионные семейства TSV7x и TSZx имеют потребление на уровне десятков микроампер, что соответствуют потреблению группы MICRO POWER. То есть эти усилители вполне подходят для устройств с батарейным питанием.

Рис. 3. Потребление новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Можно заметить, что уровень потребления связан с частотными свойствами семейств. Семейства с большим потреблением обладают лучшими динамическими и частотными свойствами. Так, например, наиболее широким частотным диапазоном (до 16 МГц) обладает семейство TSX92x, потребление которого составляет 2.8 мА. Наименьшим потреблением и, вместе с тем, самым узким диапазоном частот обладает семейство TSU1x.

Анализ метрологических свойств новых ОУ также дает интересные результаты (рисунок 4). Семейства TSV6x, TSV56x, TSX63x, согласно приведенной выше классификации, относят к группе усилителей с микропотреблением, что не мешает им быть прецизионными. Действительно, несмотря на малые питающие токи, эти ОУ имеют достаточно малые значения напряжения смещения, что позволяет применять их в точных измерительных цепях.

Рис. 4. Напряжение смещения новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Вышеперечисленные факты позволяют сделать следующие выводы:

новые семейства ОУ в большей степени не конкурируют, а взаимно дополняют друг друга;
все новые ОУ обладают весьма низким потреблением;
большая часть новых семейств имеет отличные метрологические характеристики;
многообразие семейств и наименований дает возможность оптимально выбрать нужный усилитель.

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак “минус” в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал – это розовая осциллограмма, а выходной – это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует его. Отсюда и название “инвертирующий усилитель”.

Классификация операционных усилителей

Операционные усилители классифицируются по: напряжению питания — его значение, однополярное или двухполярное, входному сопротивлению (операционники с входным сопротивлением меньше 10 МОм в настоящее время практически вышли из употребления), максимальной рабочей частоте / быстродействию, коэффициенту шума — бывают малошумящие и с ненормированным коэффициентом шума.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Операционные усилители К544УД1, К544УД1A, К544УД1Б, 544УД1, 544УД1A, 5…
Характеристики и применение операционных усилителей 544УД1. Распиновка…

Конструирование (проектирование и расчет) источников питания и преобра…
Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Прим…

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники….
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы….

Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. Принцип действия,…
Принцип действия, сборка и наладка преобразователя однофазного напряжения в трех…

Искровой запал, трансформатор розжига, поджига. Запальный блок. Источн…
Как сделать запальный блок с питанием от 12 вольт. Схема, принцип действия, инст…

Тиристорное переключение нагрузки, коммутация (включение / выключение)…
Применение тиристоров в качестве реле (переключателей) напряжения переменного то…

Магнитный усилитель — схема, принцип действия, особенности работы, уст…
Как устроен и работает магнитный усилитель. Схема. …

Плавная регулировка яркости свечения люминесцентных ламп дневного свет…
Схема драйвера для плавной регулировки яркости свечения ламп дневного света. Дра…

ОУ с нанопотреблением Nano power

Семейство TSU1x представляет собой наиболее подходящий выбор при построении автономных датчиков и портативных устройств. Этому способствует ряд факторов (таблица 3):

сверхнизкие питающие напряжения 1.5…5.5 В позволяют использовать стандартные низковольтные батареи;
максимальный потребляемый ток не превышает 750 нА, а типовое значение составляет всего 580 нА! При использовании стандартной литиевой батареи на 200 мА•ч срок службы составит 42 года;
значения входного тока лежат в диапазоне единиц пикоампер при 25°C (типовое значение 5 пА), это делает возможным нормирование сигналов высокоимпедансных датчиков, например, сверхчувствительных фотодиодов;
ОУ устойчивы к броскам питающего напряжения.

Таблица 3. Основные характеристики семейства ОУ Nano power

Параметр	Наименование
TSU101	TSU102	TSU104
Число ОУ в корпусе	1	2	4
Ток потребления при 25°C (макс), мкА	0.58
Напряжение питания, В	1.5…5.5
Напряжение смещения 25°C (макс), мВ	3
Входной ток (Ibias) (макс), пА	5
Частота (тип), МГц	0.008
Выходной ток (тип), мА	5
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц	265
Рабочая температура, °C	-40…85
Исполнение Automotive	–

TSU1x могут с успехом применяться в автономных датчиках (датчики задымления), счетчиках (воды, газа), портативных измерительных приборах, считывателях штрих-кодов.

Перспективным является использование TSU1x для нормирования, фильтрации и усиления сигналов датчиков в газоанализаторах . Как показал анализ, в ряде случаев всего одного TSU104 хватает для получения готовой схемы.

Перевернутый инвертор?

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы начнем извращаться с базовой схемой инвертирующего усилителя. Что произойдет, если мы поменяем цепь обратной связи, а входной сигнал подадим на другой вход?

Рисунок 3 – Что делает данная схема?

Мы можем пройти ту же последовательность шагов, что и раньше, с инвертирующим усилителем, но начнем с замены напряжения на узле V-. Из-за виртуального короткого замыкания V- = V+ = Vвх. В результате мы можем написать следующее уравнение для тока, проходящего через Rз:

Поскольку мы знаем, что операционный усилитель не потребляет никакого входного тока, мы знаем, что токи через Rз и Rос должны раны, что позволяет нам написать следующее уравнение:

Виртуальное короткое замыкание позволяет избавиться от V-, поскольку мы знаем, что оно равно Vвх.

И еще немного перестановок, и мы получим следующее:

В отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления этой цепи не отрицателен. В результате данная схема называется неинвертирующим усилителем: она обеспечивает линейное усиление, но с положительным знаком. В отличие от предыдущего схемы, неинвертирующий усилитель не может обеспечить коэффициент усиления меньше единицы – невозможно установить цепь обратной связи ниже! С другой стороны, эта схема обеспечивает одну вещь, которую инвертирующий усилитель обеспечить не может. Поскольку выходной сигнал положительный, он совпадает по фазе с входным сигналом. Инвертирующий усилитель, благодаря отрицательному коэффициенту усиления, переключает выходной сигнал на 180 градусов. Неинвертирующий усилитель этого не делает!