Начальные сведения об операционном усилителе

Операционный усилитель (ОУ) имеет специфическую архитектуру, однако, именно благодаря этой специфичности, он является ядром схем, выполняющих математические операции с аналоговыми сигналами. Особенность классических ОУ заключается (1) в наличии двух так называемых дифференциальных входов и (2) в очень большом коэффициенте усиления (до миллиона). Понятие «дифференциальный вход» означает, что усиливается разность потенциалов его двух входов («дифференциальный» - от слова difference иозначает разность). Иллюстрация типичного инвертирующего активного базового элемента аналоговой обработки сигнала приведена на рис. П. Символ ОУ на нём изображён в виде треугольника.

Рис.3 Типичные инвертирущие базовые активные элементы аналоговой обработки сигнала. а – без смещения нуля и одним выходом; б – полностью дифференциальный (с двумя выходами); в – с одним выходом и приведённым ко входу напряжением смещения нуля операционного усилителя. Условные обозначения: - вход элемента; - выход; и - импедансы схем соответственно между входом и узлом и между узлом и выходом; - потенциал «аналоговой земли»

Один из входов ОУ является инвертирующим, и при увеличении (т.е. изменении в сторону положительного источника питания ) потенциала на этом входе, потенциал на его выходе изменяется в сторону отрицательного источника питания . На символе ОУ инвертирующий вход (или выход) выделен кружком, как на рис.3 (подобно символам цифровых логических узлов), или знаком «минус».

Другой вход ОУ является неинвертирующим, и при увеличении потенциала на этом входе, потенциал на его выходе изменяется также в сторону положительного источника питания . На символе ОУ неинвертирующий вход (или выход) ничем не выделен (как на рис.3), или знаком «плюс».

Разность потенциалов неинвертирующего и инвертирующего входов называется входным дифференциальным сигналом :

, (1.10)

где - потенциал неинвертирующего входа; - потенциал инвертирующего входа.

Полусумма потенциалов неинвертирующего и инвертирующего входов называется входным синфазным сигналом :

, (1.11)

Практически во всех ОУ дифференциальный коэффициент усиления по напряжению

(1.12)

должен быть возможно бóльшим, а синфазный коэффициент усиления по напряжению

(1.13)

- наоборот, быть возможно меньшим и близким к нулю.

Главной особенностью практически всех систем аналоговой обработки сигнала, содержащих ОУ, является наличие отрицательной обратной связи (ООС), т.е. наличие специфической цепи между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Пример простой системы аналоговой обработки сигнала с ООС приведён выше на рис. 3 а, где ООС образована компонентом между выходом и инвертирующим входом ОУ.

При приложении потенциала на вход элемента аналоговой обработки сигнала через элемент протекает ток величины . Пусть, для определённости, знак потенциала на входе системы положительный, т.е. , и уровень при этом становится более положительным относительно уровня узла А. В этом случае, благодаря притоку из положительного входного узла «положительного» тока , потенциал начнёт становиться всё более положительным, а потенциал начнёт становиться всё более отрицательным.

Благодаря «отрицательному» току от выхода к узлу А, его положительный заряд компенсируется «отрицательным» током, не только препятствующему дальнейшему положительному отклонению потенциала узла А, но, более того, приближая потенциал узла А к потенциалу аналоговой «земли». Строго говоря, достижение асимптотического уровня возможно только в результате бесконечно длительного переходного процесса, поскольку любой ОУ содержит токоограничивающие компоненты (резисторы, транзисторы и др.). Последние в общем случае ведут себя подобно нелинейным резисторам, благодаря которым, как известно, любые переходные процессы имеют бесконечную длительность.

Поскольку при скачке положительного потенциала на инвертирующем входе выход потенциал асимптотически стремится к отрицательному значению , то знак узла А при переходном процессе остаётся положительным. В стационарном состоянии в процессе компенсация положительного и отрицательного токов, втекающих в узел А абсолютное значение разности асимптотически стремится к величине .

С целью упрощения анализа по умолчанию предполагается, что в любом КМДП ОУ оба его входа не потребляют постоянного тока, т.е. входное сопротивление ОУ неопределенно велико. В реальности при ОЧЕНЬ коротких затворах (меньших 80 – 100 нанометров) туннельный ток утечки подзатворного диэлектрика становится заметным, и поэтому в мире проводится постоянный поиск подзатворных диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью с целью увеличения его толщины и уменьшения утечек.

Итак, пренебрежём токами утечки входов ОУ, в результате чего (А) токи в элементах , и являются одинаковыми и (Б) становится справедливым выражение:

. (1.14)

Практически переходной процесс можно оборвать, как только входной дифференциальный сигнал станет меньше приведённого к входу собственного шума (см. рисунок 3 в с заменой на , а также ниже), т.е.

. (1.15а)

При соблюдении условия (1.15а) разность меньше (и даже много меньше) уровней большинства реальных сигналов, что при упрощённом анализе даёт возможность полагать

(1.15б)

Неравенства (1.15а) и (1.15б) иллюстрируют приведённый выше тезис о необходимости очень большого коэффициента усиления . Реально в глубоко субмикронных интегральных схемах абсолютная величина , как правило, порядка нескольких единиц или долей вольта, а – порядка небольших десятков микровольт, поэтому – как минимум, несколько тысяч.

Пусть ОУ имеет настолько большой коэффициент усиления , что выполняется условие (1.15б). В этом случае имеем , и с учётом этого перепишем уравнение Кирхгофа:

. (1.16)

В результате имеем

. (1.17)

В простейшем случае, когда , а , на рис. 3 получается инвертирующий усилитель с усилением в раз, что является широко известным фактом в аналоговой схемотехнике. В общем случае импедансы и являются комплексными (в их состав входят частотозависимые реактивные элементы – конденсаторы и(или) индуктивности), поэтому можно сказать, что на рис. 3 изображён фильтр.

В подавляющем большинстве аналоговых элементов, работающих в режиме непрерывного времени, в том числе практически во всех ОУ, диапазон изменения потенциала на его входах и выходах не превышает напряжения питания (исключениями являются схемы, содержащие колебательный контур с достаточно большой добротностью и некоторые схемы, работающие в импульсном режиме). В реальности диапазон всегда меньше величины , поскольку часть напряжения питания тратится на поддержания внутренних функциональных узлов в необходимом состоянии (см. следующие лабораторные работы и соответствующие учебные пособия), обеспечивающем, например в ОУ, высокий коэффициент усиления.

Следует отметить, что при увеличении частоты входного сигнала коэффициент усиления любого усилителя, в том числе и ОУ, уменьшается! Объяснение факта уменьшения коэффициента усиления при увеличении частоты, представленное в конце предыдущего раздела (о пассивных фильтрах), справедливо и в отношении к ОУ, поскольку путь прохождения сигнала в нём включает и резисторы, и транзисторы, а иногда и индуктивности. Их количество всегда больше, чем количество конденсаторов, специально введённых для убыстрения переходных процессов путём шунтирования некоторых узлов. Тем не менее, факт уменьшения коэффициента усиления усилителя с ростом частоты нельзя воспринимать как однозначно отрицательный эффект. Именно благодаря этому эффекту появляется возможность устойчивой работы сложных аналоговых схем с обратными связями!

Имея в виду приведённые выше рассуждения, приблизительное равенство (1.15б), очевидно, справедливо только при относительно низких частотах входного сигнала – так называемое низкочастотное приближение. В рамках этого приближения, т.е. исчезающе малого отклонения потенциала инвертирующего входа ОУ от синфазного потенциала (определяемого потенциалом НЕинвертирующего входа, равного на рис. 3 а и 3 в потенциалу «аналоговой земли»), позволяет говорить об инвертирующем входе как узле «виртуальной земли» (под «землёй» по умолчанию понимается узел с близким к нулю выходным сопротивлением, шунтирующем любые токи, втекающие в инвертирующий узел).

Поиск по сайту: