Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага.
(китайская пословица)
Дело было вечером, делать было
нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное!.. Спаять
— так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен. Выбираем схему. И вдруг
оказывается, что схем для задуманного сабжа — вагон и маленькая тележка. И все
разные. Опыта нет, знаний маловато. Какую выбрать? Некоторые из них содержат
какие-то прямоугольнички, треугольнички. Усилители, да ещё и операционные… Как они
работают — непонятно. Стра-а-ашно!.. А вдруг сгорит? Выбираем, что попроще, на знакомых
транзисторах! Выбрали, спаяли, включили… HELP!!! Не
работает!!! Почему?
Да потому, что «Простота — хуже
воровства»! Это как компьютер: самый быстрый и навороченный — игровой! А для
офисной работы достаточно и самого простого. Так же и с транзисторами. Спаять
на них схему мало. Надо ещё уметь её настроить. Слишком много «подводных
камней» и «граблей». А для этого зачастую требуется опыт отнюдь не начального
уровня. Так что же, бросать увлекательное занятие? Отнюдь! Просто не надо
бояться этих «треугольничков-прямоугольничков». С ними работать, оказывается,
во многих случаях намного проще, чем с отдельными транзисторами. ЕСЛИ ЗНАТЬ —
КАК!
Вот этим: пониманием, как работает
операционный усилитель (ОУ, или по-английски OpAmp) мы сейчас и займемся. При
этом будем рассматривать его работу буквально «на пальцах», практически не
пользуясь никакими формулами, разве что кроме закона дедушки Ома: «Ток через
участок цепи (I) прямо пропорционален напряжению
на нем (U) и обратно пропорционален его
сопротивлению (R)»:
I = U / R. (1)
Для начала, в принципе, не так уж и важно,
как именно ОУ устроен внутри. Просто примем в качестве допущения, что он
представляет собой «черный ящик» с какой-то там начинкой. На данном этапе не
будем рассматривать и такие параметры ОУ, как «напряжение смещения»,
«напряжение сдвига», «температурный дрейф», «шумовые характеристики»,
«коэффициент подавления синфазной составляющей», «коэффициент подавления
пульсаций напряжений питания», «полоса пропускания» и т.п. Все эти параметры
будут важны на следующем этапе его изучения, когда в голове «улягутся» основные
принципы его работы ибо «гладко было на бумаге, да забыли про овраги»…
Пока что просто допустим, что
параметры ОУ близки к идеальным и рассмотрим, лишь то, какой сигнал будет на
его выходе, если какие-то сигналы подавать на его входы.
Итак, операционный усилитель (ОУ) является
дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и
неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного
и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально
необходимы для его работы.
Примечание
Существуют ОУ и не
имеющие одного из входов. Либо инвертирующего (инверторы), либо
неинвертирующего (повторители, буферы), но они применяются редко и мы их
рассматривать не будем. ОУ может иметь и дополнительные выводы для
балансировки и частотной коррекции, но эти выводы и их функции мы также сейчас
рассматривать не будем. Это задача более продвинутого изучения как внутренней
структуры ОУ, так и их работы.
ОУ имеет огромный коэффициент
усиления, как минимум, 50000…100000, а реально — намного больше. Потому, в
первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.
Примечание
Правда, ОУ первых
разработок (К140УД1 или, как он тогда маркировался, К1УТ401 — отечественная
реплика uA702) имел коэффициент усиления всего
500…4500 для группы «А» и 1350…12000 для группы «Б», а поскольку в старой
аппаратуре, откуда их можно выпаять, они ещё попадаются, это ограничение уже
надо учитывать.
Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница»,
«различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно
разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения
и полярности.
Термин «постоянного тока» означает,
что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот
(частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких,
как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента
усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п. Но этот вопрос уже выходит
за рамки первичного ознакомления с его работой и рассматриваться здесь не будет.
Входы ОУ имеют очень большое входное
сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (и лишь в
приснопамятных К140УД1, да ещё в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь
большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не
влияют.
Потому с большой степенью
приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во
входы ОУ не течет. Это — первое важное правило, которое
применяется при анализе работы ОУ. Прошу хорошо запомнить, что оно касается лишь самого ОУ, а не схем с его применением!
Что же означают термины «инвертирующий»
и «неинвертирующий»? По отношению к чему определяется инверсия и вообще, что
это за «зверек» такой — инверсия сигнала?
Примечание
При тщательном
поиске в Гугле, к своему великому удивлению, внятного толкования смысла этого
термина в отношении аналогового сигнала в электротехнике я не нашел.
Видимо, оно подразумевается наслишь очевидным, что даже в пояснениях не
нуждается. Одно из определений, гласящее: «Инвертирование или инверсия
сигнала — это изменение его полярности» [1], требует
уточнения, что такое «полярность». Один непонятный термин описывается другим,
также непонятным термином. Потому попробуем всё же сформулировать данное
понятие самостоятельно, не привязываясь к принципам работы собственно ОУ.
В переводе с латинского одним из
значений слова «inversio» является «оборачивание»,
«переворот». Иными словами, инверсия — это зеркальное отражение (отзеркаливание)
сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1
показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где
красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим — проинвертированный
(выходной).
Рис. 1 Понятие инверсии сигнала
Особо следует отметить, что к
нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не
привязана! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. К примеру, оба
лишь в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно
для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет
дальше), или оба частично в положительной и частично — в отрицательной областях
(Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием
является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным
образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой
речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже
не является определяющим фактором.
Изображают ОУ на принципиальных
схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются
в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход —
символом «минус», а неинвертирующий — символом «плюс» внутри треугольника.
Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал
должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто
указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В
итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными
«граблями», особенно для начинающих.
Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей
В системе отечественных условных
графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81)
ОУ также изображались в виде треугольника, лишь инвертирующий вход — символом
инверсии — кружочком в месте пересечения вывода с треугольником
(Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).
При обозначении ОУ на схемах
инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее,
однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий —
внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом
(положительный вверху, отрицательный — внизу).
Внимание!
Часто выводы
питания на схеме не рисуют, дабы не загромождать её несущественными деталями (например,
при изображении одного усилителя из микросхемы с несколькими ОУ с общими
выводами питания). Кроме того, шина, являющаяся общей для напряжений питания
обеих полярностей питающего напряжения, тоже не изображается одной линией, а
обозначается значками в виде перевернутой буквы «Т» (_|_) в нужных местах.
Все эти значки на реальной схеме соединены вместе одной шиной.
ОУ почти всегда используются в
схемах с отрицательной обратной связью (ООС).
Обратной связью называется эффект
подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически
(с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования
сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ,
инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную
обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий
вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть
выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход
(Рис. 3, Б).
Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)
В первом случае, поскольку выходной
сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В
результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае — суммируется со
входным, общее усиление каскада повышается.
На первый взгляд может показаться,
что ПОС имеет положительный эффект, а ООС — совершенно бесполезная затея: зачем
же снижать усиление? Именно так и посчитали патентные эксперты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Но, жертвуя усилением, мы
существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её
линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей
схемы зависят от характеристик ОУ.
Примечание
Глубина ООС
показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления схемы под её
влиянием по сравнению с её отсутствием (без ООС). Выражается обычно в
логарифмическом масштабе — децибелах. Поскольку мы договаривались, что формул
в данной статье почти не будет, отмечу лишь, что чем меньше её
цифровое значение, тем глубже ООС.
А вот ПОС (учитывая собственное
огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое
неприятное — вызывает ее самовозбуждение. Она, конечно, тоже используется
осознанно, например, в генераторах, компараторах с гистерезисом (подробно об
этом — далее) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с
ОУ скорее негативное и требует очень тщательного и обоснованного анализа её
применения.
Поскольку ОУ имеет два входа, то
возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):
Рис. 4 Основные
схемы включения ОУ
а) инвертирующее (Рис. 4, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а
неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не
используется);
б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а
инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не
используется);
в) дифференциальное (Рис. 4, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и
неинвертирующий.
Для анализа работы этих схем следует
учесть второе важнейшее правило, которому подчиняется работа ОУ: Выход
операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его
входами была равна нулю.
Вместе с тем, любая формулировка
должна быть необходимой и достаточной, чтобы ограничить всё подмножество
подчиняющихся ей случаев. Приведенная выше формулировка, при всей её
«классичности», не дает никакой информации о том, на какой же из входов «стремится
повлиять» выход. Исходя из неё, получается, что вроде бы ОУ выравнивает
напряжения на своих входах, подавая напряжение на них откуда-то «изнутри».
Если внимательно рассмотреть схемы
на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) во
всех случаях заведена с выхода лишь на инвертирующий вход, что дает
нам основание переформулировать это правило следующим образом: Напряжение
на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал
на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.
Исходя из этого определения,
«ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а
«ведомым» — инвертирующий.
Внимание!
Правило 2
действительно лишь для ОУ, охваченных ООС. При отсутствии любой ОС, либо
при наличии ПОС, Правило 2 не действует!
При описании работы ОУ потенциал на
его инвертирующем входе часто называют «виртуальным нулем» или «виртуальной
средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» означает «воображаемый», «мнимый».
Виртуальный объект ведет себя близко к поведению аналогичных объектов
материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС)
инвертирующий вход можно считать подключенным непосредственно к такому же
потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Но, «виртуальный
ноль» является всего лишь частным случаем, имеющим место лишь при двуполярном
питании ОУ. При использовании однополярного питания (о чем будет вестись речь
ниже), да и во многих других схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на
инвертирующем входах ноля не будет. Потому давайте договоримся, что этот
термин мы применять не будем, поскольку он мешает начальному пониманию принципов
работы ОУ.
Вот с этой точки зрения и разберем
схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что
напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг другу по величине (скажем,
± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно
которой и будем отсчитывать входные и выходные напряжения. Кроме того, анализ
будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в
каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного
тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос
заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается лишь в
том, на какие из входов подается входное напряжение.
А) Инвертирующее включение (Рис. 5).
Рис. 5 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении
Потенциал на неинвертирующем входе
равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный
+1 В относительно средней точки (от GB) подан на
левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что
сопротивления Rоос и Rвх равны
друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).
Внимание!
В данном и последующих
примерах номиналы резисторов являются «учебными»! Исключительно для того,
чтобы оперировать с целыми и круглыми величинами (например, 1 кОм — 1 В — 1
мА). О том, какими они должны быть в реальности, речь пойдет отдельно.
Согласно Правилу 2, на инвертирующем
входе должно быть такой же потенциал, как и на зануленном неинвертирующем,
т.е., 0 В. Следовательно, к Rвх приложено напряжение +1 В.
Согласно закону Ома по нему будет протекать ток Iвх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Направление протекания этого тока показано
стрелкой.
Примечание
В электротехнике
направление движения электрического тока традиционно принято обозначать от
плюса к минусу. Хотя в действительности он обусловлен перемещением
электронов, имеющих отрицательный заряд, но этот факт был открыт намного
позже, чем само явление электричества. Так что не будем отходить от традиций.
Поскольку Rоос
и Rвх включены делителем, а согласно Правилу 1
входы ОУ тока не потребляют, то для того, чтобы в средней точке этого делителя
напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно
быть приложено напряжение минус 1 В, а протекающий по нему ток Iоос также должен быть равен 1 мА. Иными
словами, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, протекающий по этому
делителю равен 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. Iвх. = Iоос.
Если на вход подать напряжение
отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной
полярности. Всё то же самое, лишь стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в
противоположную сторону.
Таким образом, при равенстве
номиналов Rоос и Rвх,
напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но
инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель.
Эта схема нередко применяется, если нужно проинвертировать сигнал, полученный с
помощью схем, принципиально являющихся инверторами. К примеру, логарифмических
усилителей.
Теперь давайте, сохранив номинал Rвх, равным 1 кОм, увеличим сопротивление Rоос
до 2 кОм при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление делителя Rоос+Rвх увеличилось до 3 кОм. Чтобы
в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу
неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать
тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Следовательно,
падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ)
должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В.
Увеличим номинал Rоос
до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же остальных условиях
составит уже 10 В. Во-о-от! Наконец-то мы получили инвертирующий усилитель!
Его выходное напряжение больше входного (иными словами, коэффициент усиления
Ку) во слишь раз, во сколько раз сопротивление Rоос
больше, чем сопротивление Rвх. Как я ни зарекался не
применять формулы, давайте всё-таки отобразим это в виде уравнения:
Ку
= – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх. (2)
Знак минус перед дробью правой части
уравнения означает лишь то, что выходной сигнал инверсен по отношению ко
входному. И ничего более!
А теперь давайте увеличим
сопротивление Rоос до 20 кОм и проанализируем, что
получится. Согласно формулы (2) при Ку = 20 и входном сигнале 1 В на выходе
должно было бы быть напряжение 20 В. Ан не тут-то было! Мы же ранее приняли
допущение, что напряжение питания нашего ОУ составляет всего ± 15 В.
Но даже 15 В получить не удастся (почему так — чуть ниже). «Выше головы
(напряжения питания) не прыгнешь»! В итоге такого надругательства над
номиналами схемы выходное напряжение ОУ «упирается» в напряжение питания (выход
ОУ входит в насыщение). Баланс равенства токов через делитель RоосRвх (Iвх. = Iоос) нарушается, на инвертирующем входе
появляется потенциал, отличный от потенциала на неинвертирующем входе. Правило
2 перестает действовать.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению Rвх,
поскольку через него протекает весь ток от источника входного сигнала (GB).
Теперь давайте заменим постоянный Rоос на переменный, с номиналом, скажем 10 кОм
(Рис. 6).
Рис. 6 Схема инвертирующего усилителя с переменным
усилением
При правом (по схеме) положении его
движка усиление будет составлять Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10.
Перемещая движок Rоос влево (уменьшая его
сопротивление) усиление схемы будет снижаться и, наконец, при крайнем левом его
положении станет равным нулю, поскольку числитель в приведенной выше формуле
станет равным нулю при любом значении знаменателя. На выходе
будет ноль также при любом значении и полярности входного сигнала. Такая схема
часто применяется в схемах усиления звуковых сигналов, например, в микшерах,
где приходится регулировать усиление от нуля.
Внимание!
Следует отметить,
что в этой схеме есть двое «граблей»:
1) чтобы
получить линейную регулировку коэффициента усиления от угла поворота движка
переменного резистора, он должен быть с логарифмической зависимостью «Б» (для
отечественных) либо «С» (для импортных);
2) не
все ОУ способны работать стабильно при коэффициенте усиления, близком к 1, а
тем более, меньше единицы. К примеру, К574УД1 желательно использовать с Ку
более 6.
Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).
Рис. 7 Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении
Левый вывод Rвх
подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал, равный +1 В подан
прямо на неинвертирующий вход. Поскольку нюансы анализа «разжеваны» выше, здесь
будем уделять внимание лишь существенным отличиям.
На первом этапе анализа также примем
сопротивления Rоос и Rвх
равными друг другу и составляющими 1 кОм. Т.к. на неинвертирующем входе
потенциал составляет +1 В, то по Правилу 2 такой же потенциал (+1 В) должен
быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке). Для этого на правом выводе
резистора Rоос (выходе ОУ) должно быть напряжение +2 В.
Токи Iвх. и Iоос,
равные 1 мА, текут теперь через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас
получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2,
поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В.
Странно, не так ли? Номиналы те же,
что и в инвертирующем включении (различие лишь в том, что сигнал подан на
другой вход), а усиление налицо. Разберемся в этом чуть позже.
Теперь увеличиваем номинал Rоос до 2 кОм. Чтобы сохранить баланс токов Iвх. = Iоос и потенциал инвертирующего входа +1 В, на выходе ОУ должно быть уже +3 В. Ку =
3 В / 1 В = 3!
Увеличиваем номинал Rоос дальше, до 10 кОм. На выходе ОУ выходное напряжение
теперь должно быть уже 11 В. Ку = 11 В / 1 В = 11.
Если сравнить значения Ку при
неинвертирующем включении с инвертирующим, при тех же номиналах Rоос и Rвх, то получается что
коэффициент усиления во всех случаях больше на единицу. Выводим формулу:
Ку
= Uвых / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)
Почему же так происходит? Да очень
просто! ООС действует точно так же, как и при инвертирующем включении, но
согласно Правилу 2, к потенциалу инвертирующего входа в неинвертирующем
включении всегда прибавляется потенциал неинвертирующего входа.
Так что же, при неинвертирующем
включении нельзя получить усиление, равное 1? Почему же нельзя — можно. Давайте
уменьшать номинал Rоос, аналогично тому, как мы
анализировали Рис. 6. При его нулевом значении — перемыкании выхода с
инвертирующем входом накоротко (Рис. 8, А), согласно Правилу 2, на
выходе будет такое напряжение, чтобы потенциал инвертирующего входа был равен
потенциалу неинвертирующего входа, т.е., +1 В. Получаем:
Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а
поскольку инвертирующий вход тока не потребляет и разности потенциалов между
ним и выходом нет, то и никакой ток в этой цепи не протекает.
Рис. 8 Схема включения ОУ, как повторителя
напряжения
Rвх
становится вообще лишним, т.к. он подключается параллельно нагрузке, на которую
должен работать выход ОУ и через него совершенно зря будет протекать его
выходной ток. А что будет, если оставить Rоос, но
убрать Rвх (Рис. 8, Б)? Тогда в формуле
усиления Ку = Rоос / Rвх + 1 сопротивление Rвх теоретически
становится близким к бесконечности (в реальности, конечно же, нет, т.к.
существуют утечки по плате, да и входной ток ОУ хоть и пренебрежимо мал, но
нулю всё-таки не равен), при чем соотношение Rоос / Rвх приравнивается к нулю. В формуле остается лишь
единица: Ку = + 1. А усиление меньше единицы для этой схемы можно
получить? Нет, меньше не получится ни при каких обстоятельствах. «Лишнюю»
единицу в формуле усиления на кривой козе не объедешь…
После того, как мы убрали все
«лишние» резисторы, получается схема неинвертирующего повторителя,
показанная на Рис. 8, В.
На первый взгляд, такая схема не
имеет практического смысла: зачем нужно единичное да ещё и неинверсное «усиление»
— что, нельзя просто подать сигнал дальше??? Но, такие схемы применяются
довольно часто и вот почему. Согласно Правилу 1 ток во входы ОУ не течет, т.е., входное сопротивление неинвертирующего повторителя очень большое
— те самые десятки, сотни и даже тысячи МОм (это же относится и к схеме по Рис.
7)! А вот выходное сопротивление очень малое (доли Ома!). Выход ОУ «пыхтит изо
всех сил», стараясь, согласно Правилу 2, поддержать на инвертирующем входе такой
же потенциал, как и на неинвертирующем. Ограничением является лишь допустимый
выходной ток ОУ.
А вот с этого места мы немного вильнем
в сторону и рассмотрим вопрос выходных токов ОУ чуть подробнее.
Для большинства ОУ широкого
применения в технических параметрах указано, что сопротивление нагрузки,
подключенной к их выходу, не должно быть меньше 2 кОм. Больше — сколько
угодно. Для намного меньшего числа оно составляет 1 кОм (К140УД…). Это значит,
что при наихудших условиях: максимальном напряжении питания (например,
±16 В или суммарно 32 В), нагрузкой, подключенной между выходом и одной
из шин питания и максимальном выходном напряжении противоположной полярности, к
нагрузке будет приложено напряжение около 30 В. При этом ток через нее
составит: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА).
Не так, чтобы мало, но и не особо много. К счастью, большинство ОУ широкого
применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное
значение максимального выходного тока составляет 25 мА. Защита предотвращает
перегрев и выход ОУ из строя.
Если напряжения питания не
максимально допустимые, то минимальное сопротивление нагрузки можно
пропорционально уменьшать. Скажем, при питании 7,5…8 В (суммарно 15…16 В)
оно может составлять 1 кОм.
Примечание
Существуют ОУ с
повышенным выходным током, например, К157УД1, способные обеспечивать выходной
ток до 100 мА (для него минимальное сопротивление нагрузки составляет 200
Ом). И, наконец, широко применяющаяся микросхема усилителя звуковой частоты TDA2030/2050/2052 тоже представляет собой ОУ. Только
низкочастотный и весьма мощный (максимальный выходной ток составляет,
соответственно, 3,5/5,0/6,0 А). Это позволяет использовать её не лишь по
«прямому» назначению но и для тех применений, где традиционном применялись
ОУ, например, в блоках питания, для управления электродвигателями и т.п. Мощные
достаточно быстродействующие ОУ широкого применения: L165, LM675, OPA544 и
пр.
В) Дифференциальное включение (Рис. 9).
Рис. 9 Принцип работы ОУ в дифференциальном включении
Итак, допустим, что при одинаковых
номиналах Rвх и Rоос, равных
1 кОм, на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения, равные +1 В
(Рис. 9, А). Поскольку потенциалы с обеих сторон резистора Rвх равны друг другу (напряжения на резисторе равно 0), ток
через него не протекает. А значит, равен нулю и ток через резистор Rоос. Т.е., эти два резистора никакой функции не выполняют.
По сути, мы фактически получили неинвертирующий повторитель (сравните с
Рис. 8). Соответственно, на выходе получим такое же напряжение, как и на
неинвертирующем входе, т.е., +1 В. Поменяем полярность входного сигнала на
инвертирующем входе схемы (перевернем GB1) и подадим
минус 1 В (Рис. 9, Б). Теперь между выводами Rвх
приложено напряжение 2 В и через него течет ток Iвх = 2 мА (надеюсь, что подробно расписывать, почему так — уже не нужно?). Для
того, чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать ток,
равный 2 мА. А для этого на выходе ОУ должно быть напряжение +3 В.
Вот где проявился ехидный «оскал»
дополнительной единички в формуле коэффициента усиления неинвертирующего
усилителя. Получается, что при таком упрощенном дифференциальном
включении разница в коэффициентах усиления постоянно сдвигает выходной сигнал
на величину потенциала на неинвертирующем входе. Проблема-с! Но, «Даже если
вас съели — у вас всё равно остаётся как минимум два выхода». Значит, нам
каким-то образом надо уравнять коэффициенты усиления инвертирующего и
неинвертирующего включений, чтобы «нейтрализовать» эту лишнюю единичку.
Для этого подадим входной сигнал на
неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Примем их номиналы также по 1
кОм. Теперь на неинвертирующем (а значит, и на инвертирующем тоже) входе ОУ
будет потенциал +0,5 В, через него (и Rоос) будет
протекать ток Iвх = Iоос = 0,5 мА, для обеспечения которого
на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0 В. Фу-у-ух! Мы добились, чего
хотели! При равных по величине и полярности сигналах на обеих входах схемы (в
данном случае +1 В, но то же самое будет справедливо и для минус 1 В
и для любых иных цифровых значений), на выходе ОУ будет сохраняться нулевое
напряжение, равное разнице входных сигналов.
Проверим это рассуждение, подав на
инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности минус 1 В (Рис. 9, Г).
При этом Iвх = Iоос = 2 мА, для чего на выходе должно
быть +2 В. Всё подтвердилось! Уровень выходного сигнала соответствует
разнице между входными.
Конечно, при равенстве Rвх1 и Rоос (соответственно, Rвх2 и R1) усиления мы не получим.
Для этого нужно увеличить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не
буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение:
Rоос / Rвх1 = R1
/ Rвх2. (4)
Что же полезного мы получаем от такого
включения практически? А получаем мы замечательное свойство: выходное напряжение
не зависит от абсолютных значений входных сигналов, если они равны друг другу по
величине и полярности. На выход поступает лишь разностный (дифференциальный)
сигнал. Это позволяет усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково
действующей на оба входа. К примеру, сигнал с динамического микрофона на фоне
наводки сети промышленной частоты 50 Гц.
Но, в этой бочке меда, к
сожалению, присутствует ложка дегтя. Во-первых, равенство (4) должно
соблюдаться очень строго (вплоть до десятых а иногда и сотых процента!). Иначе
возникнет разбаланс токов, действующих в схеме, а следовательно, кроме
разностных («противофазных») сигналов будут усиливаться и сочетанные («синфазные»)
сигналы.
Давайте, разберемся с сущностью этих
терминов (Рис. 10).
Рис. 10 Сдвиг фазы сигнала
Фаза сигнала — это величина,
характеризующая смещение начала отсчета периода сигнала относительно начала
отсчета времени. Поскольку и начало отсчета времени, и начало отсчета периода
выбираются произвольно, фаза одного периодического сигнала физическим
смыслом не обладает. Но разность фаз 2-х периодических сигналов —
это величина, имеющая физический смысл, она отражает запаздывание одного из
сигналов относительно другого. Что считать началом периода, не имеет никакого
значения. За точку начала периода можно взять нулевое значение с положительным
наклоном. Можно — максимум. Всё в нашей власти.
На Рис. 9 красным обозначен
исходный сигнал, зеленым — сдвинутый на ¼ периода относительно исходного
и синим — на ½ периода. Если сравнить красную и синюю кривые с кривыми
на Рис. 2, Б, то можно заметить, что они взаимно инверсны.
Т.о., «синфазные сигналы» — это сигналы, совпадающие друг с другом в каждой
своей точке, а «противофазные сигналы» — инверсные друг относительно
друга.
В то же время, понятие инверсии более широкое, чем понятие фазы, т.к. последнее применимо лишь к
регулярно повторяющимся, периодическим сигналам. А понятие инверсии применимо к любым сигналам, в том числе и непериодическим, как, например,
звуковой сигнал, цифровая последовательность, либо постоянное напряжение. Чтобы фаза была состоятельной величиной, сигнал должен быть периодическим хотя
бы на некотором интервале. В противном случае, и фаза и период превращаются в
математические абстракции.
Во-вторых, инвертирующий и
неинвертирующий входы в дифференциальном включении при равенстве номиналов Rоос = R1 и Rвх1 = Rвх2 будут иметь
различные входные сопротивления. Если входное сопротивление инвертирующего
входа определяется лишь номиналом Rвх1, то
неинвертирующего — номиналами последовательно включенных Rвх2 и R1 (ещё не забыли, что входы
ОУ тока не потребляют?). В приведенном выше примере они будут составлять, соответственно,
1 и 2 кОм. А если мы увеличим Rоос и R1 для получения полноценного усилительного каскада, то
разница возрастет ещё существеннее: при Ку = 10 — до, соответственно, всё того
же 1 кОм и целых 11 кОм!
К сожалению, на практике обычно ставят
номиналы Rвх1 = Rвх2
и Rоос = R1. Но, это
приемлемо, лишь если источники сигнала для обоих входов имеют очень низкое выходное
сопротивление. Иначе оно образует делитель с входным сопротивлением данного
усилительного каскада, а поскольку коэффициент деления таких «делителей» будет
разным, то и результат очевиден: дифференциальный усилитель с такими номиналами
резисторов не будет выполнять своей функции подавления синфазных (сочетанных)
сигналов, либо выполнять эту функцию плохо.
Одним из путей решения данной
проблемы может быть неравенство номиналов резисторов, подключенных к
инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. А именно, чтобы Rвх2
+ R1 = Rвх1. Ещё одним важным
моментом является достижение точного соблюдения равенства (4). Как правило,
этого добиваются путем разбиения R1 на два резистора —
постоянный, обычно составляющий 90% от нужного номинала и переменный (R2), сопротивление которого составляет
20% от нужного номинала (Рис. 11, А).
Рис. 11 Варианты балансировки дифференциального
усилителя
Путь общепринятый, но опять же, при
таком способе балансировки пусть и немного, но изменяется входное сопротивление
неинвертирующего входа. Намного стабильнее вариант с включением подстроечного
резистора (R5) последовательно с Rоос
(Рис. 11, Б), поскольку Rоос в формировании
входного сопротивления инвертирующего входа участия не принимает. Главное —
сохранить соотношения их номиналов, аналогично варианту «А» (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).
Коль скоро мы повели речь о
дифференциальном включении и упомянули повторители, хотелось бы описать одну
интересную схемку (Рис. 12).
Рис. 12 Схема переключаемого
инвертирующего/неинвертирующего повторителя
Входной сигнал подается одновременно
на оба входа схемы (инвертирующий и неинвертирующий). Номиналы всех резисторов
(Rвх1, Rвх2 и Rоос)
равны друг другу (в данном случае возьмем их реальные значения: 10…100 кОм).
Неинвертирующий вход ОУ ключом SA может
замыкаться на общую шину.
В замкнутом положении ключа
(Рис. 12, А) резистор Rвх2 в работе схемы не
участвует (через него лишь «бесполезно» течет ток Iвх2 от источника сигнала на общую шину). Получаем инвертирующий повторитель с усилением равным минус 1 (см. Рис. 6). А вот при разомкнутом положении
ключа SA (Рис. 12, Б) получаем неинвертирующий
повторитель с усилением равным +1.
Принцип работы этой схемы можно
выразить и несколько по-другому. При замкнутом ключе SA она работает как инвертирующий усилитель с усилением, равным
минус 1, а при разомкнутом — одновременно (!) и как инвертирующий
усилитель с усилением, минус 1, и как неинвертирующий усилитель с усилением
+2, откуда: Ку = +2 + (–1) = +1.
В таком виде эту схему можно
использовать, если, например, на этапе проектирования неизвестна полярность
входного сигнала (скажем, от датчика, к которому нет доступа до начала наладки
устройства). Если же в качестве ключа использовать транзистор (например,
полевой), управляемый от входного сигнала с помощью компаратора (о нем
речь будет вестись ниже), то получим синхронный детектор (синхронный выпрямитель).
Конкретная реализация такой схемы, конечно же, выходит за рамки начального
ознакомления с работой ОУ и мы её здесь опять же подробно рассматривать не
будем.
А теперь давайте рассмотрим принцип
суммирования входных сигналов (Рис. 13, А), а заодно разберемся,
какие же номиналы резисторов Rвх и Rоос
должны быть в реальности.
Рис. 13 Принцип работы инвертирующего сумматора
Берем за основу уже рассмотренный
выше инвертирующий усилитель (Рис. 5), лишь ко входу ОУ подключаем не
один, а два входных резистора Rвх1 и Rвх2.
Пока что, в «учебных» целях, принимаем сопротивления всех резисторов, включая Rоос, равными 1 кОм. На левые выводы Rвх1
и Rвх2 подаем входные сигналы, равные +1 В. Через
эти резисторы протекают токи, равные 1 мА (показаны стрелками, направленными
слева направо). Для поддержания на инвертирующем входе такого же потенциала,
как и на неинвертирующем (0 В), через резистор Rоос
должен протекать ток, равный сумме входных токов (1 мА +1 мА = 2 мА),
показанный стрелкой, направленной в противоположном направлении (справа
налево), для чего на выходе ОУ должно быть напряжение минус 2 В.
Тот же самый результат (выходное
напряжение минус 2 В) можно получить, если на вход инвертирующего усилителя
(Рис. 5) подать напряжение +2 В, либо номинал Rвх
уменьшить вдвое, т.е. до 500 Ом. Увеличим напряжение, приложенное к резистору Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На выходе получим
напряжение минус 3 В, что равно сумме входных напряжений.
Входов может быть не два, а сколь
угодно много. Принцип работы данной схемы от этого не изменится: выходное
напряжение в любом случае будет прямо пропорционально алгебраической сумме (с
учетом знака!) токов, проходящих через резисторы, подключенные к инвертирующему
входу ОУ (обратно пропорционально их номиналам), независимо от их количества.
Если же, на входы инвертирующего
сумматора подать сигналы, равные +1 В и минус 1 В (Рис. 13, В),
то протекающие через них токи будут разнонаправлены, они взаимно
скомпенсируются и на выходе будет 0 В. Через резистор Rоос
в таком случае ток протекать не будет. Иными словами, ток, протекающий по Rоос, алгебраически суммируется со входными токами.
Отсюда также проистекает важный
момент: пока мы оперировали небольшими входными напряжениями (1…3 В), выход ОУ
широкого применения вполне мог обеспечить такой ток (1…3 мА) для Rоос и что-то ещё оставалось для нагрузки, подключенной к
выходу ОУ. Но если напряжения входных сигналов увеличить до максимально
допустимых (близких к напряжениям питания), то получается, что весь выходной
ток уйдет в Rоос. Для нагрузки ничего не останется. А
кому нужен усилительный каскад, который работает «сам на себя»? Кроме того,
номиналы входных резисторов, равные всего 1 кОм (соответственно, определяющие
входное сопротивление инвертирующего усилительного каскада), требуют протекания
по ним чрезмерно больших токов, сильно нагружающих источник сигнала. Потому в
реальных схемах сопротивление Rвх выбирается не менее
10 кОм, но и желательно не более 100 кОм, чтобы при заданном коэффициенте
усиления не ставить Rоос слишком большого номинала. Хотя
эти величины и не являются абсолютными, а лишь прикидочными, как говорится,
«в первом приближении» — всё зависит от конкретной схемы. В любом случае
нежелательно, чтобы через Rоос протекал ток,
превышающий 5…10% максимального выходного тока данного конкретного ОУ.
Суммируемые сигналы можно подавать и
на неинвертирующий вход. Получается неинвертирующий сумматор.
Принципиально такая схема будет работать точно так же, как и инвертирующий
сумматор, на выходе которого будет сигнал, прямо пропорциональный входным напряжениям
и обратно пропорциональный номиналам входных резисторов. Но практически она
используется намного реже, т.к. содержит «грабли», которые следует учитывать.
Поскольку Правило 2 действует лишь
для инвертирующего входа, на котором действует «виртуальный потенциал нуля», то
на неинвертирующем будет потенциал, равный алгебраической сумме входных
напряжений. Следовательно, входное напряжение, имеющееся на одном из входов,
будет влиять на напряжение, поступающее на другие входы. «Виртуального потенциала»
ведь на неинвертирующем входе нет! В итоге приходится применять дополнительные
схемотехнические ухищрения.
До сих пор мы рассматривали схемы на
ОУ с ООС. А что будет, если обратную связь убрать вообще? В таком случае мы
получаем компаратор (Рис. 14), т.е., устройство, сравнивающее по
абсолютному значению два потенциала на своих входах (от английского слова compare — сравнивать). На его выходе будет напряжение,
приближающееся к одному из напряжений питания в зависимости от того, какой из
сигналов больше другого. Обычно входной сигнал подается на один из входов, а на
другой — постоянное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное
напряжение»). Оно может быть любым, в том числе и равным нулевому потенциалу
(Рис. 14, Б).
Рис. 14 Схема включения ОУ как компаратора
Внимание!
На Рис. 14 и
15 расположение входов обратное тому, как это принято для ОУ с ООС:
неинвертирующий вход — вверху, инвертирующий — внизу). Это является
общепринятым для изображения компараторов, особенно тех, что выпускаются в
виде отдельных микросхем (о них речь будет вестись ниже). Даже цоколевка
выводов у них противоположная по сравнению с ОУ.
Но, не всё так хорошо «в
королевстве Датском»… А что произойдет, если напряжение между входами будет
равно нулю? По идее, на выходе тоже должен быть ноль, но в реальности — никогда.
Если потенциал на одном из входов хоть на чуть-чуть перевесит потенциал другого,
то уже этого будет достаточно, чтобы на выходе возникли хаотические скачки напряжения
из-за случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.
В реальности любой сигнал является
«зашумленным», т.к. идеала не может быть по определению. И в области, близкой к
точке равенства потенциалов входов, на выходе компаратора появится пачка
выходных сигналов вместо одного четкого переключения. Для борьбы с этим
явлением в схему компаратора часто вводят гистерезис путем создания
слабой положительной ПОС с выхода на неинвертирующий вход (Рис. 15).
Рис. 15 Принцип действия гистерезиса в компараторе за счет ПОС
Проанализируем работу этой схемы.
Напряжения её питания составляют ±10 В (для ровного счета). Сопротивление Rвх равно 1 кОм, а Rпос —
10 кОм. В качестве опорного напряжения, поступающего на инвертирующий
вход, выбран потенциал средней точки. Красной кривой показан входной сигнал,
поступающий на левый вывод Rвх (вход схемы компаратора), синей — потенциал на неинвертирующем входе ОУ и зеленой —
выходной сигнал.
Пока входной сигнал имеет
отрицательную полярность, на выходе — отрицательное напряжение, которое через Rпос суммируется с входным напряжением обратно
пропорционально номиналам соответствующих резисторов. В результате потенциал
неинвертирующего входа во всем диапазоне отрицательных значений на 1 В (по
абсолютному значению) превышает уровень входного сигнала. Как лишь потенциал
неинвертирующего входа уравняется с потенциалом инвертирующего (для входного
сигнала это будет составлять + 1 В), напряжение на выходе ОУ начнет
переключаться с отрицательной полярности в положительную. Суммарный потенциал
на неинвертирующем входе начнет лавинообразно становиться ещё более
положительным, поддерживая процесс такого переключения. В итоге незначительные
шумовые колебания входного и опорного сигналов компаратор просто «не заметит»,
поскольку они будут на много порядков меньшими по амплитуде, чем описанная
«ступенька» потенциала на неинвертирующем входе при переключении.
При снижении входного сигнала
обратное переключение выходного сигнала компаратора произойдет при входном
напряжении минус 1 В. Вот эта разница между уровнями входного сигнала,
ведущими к переключению выхода компаратора, равная в нашем случае суммарно
2 В, и называется гистерезисом. Чем больше сопротивление Rпос по отношению к Rвх (меньше
глубина ПОС), тем меньший гистерезис переключения. Так, при Rпос
= 100 кОм он будет составлять всего 0,2 В, а при Rпос =
1 Мом — 0,02 В (20 мВ). Выбирается гистерезис (глубина ПОС), исходя
из реальных условий функционирования компаратора в конкретной схеме. В какой и
10 мВ будет много, а в какой — и 2 В мало.
К сожалению, не каждый ОУ и не во
всех случаях можно использовать в качестве компаратора [2]. Выпускаются
специализированные микросхемы компараторов, предназначенные для согласования
между аналоговыми и цифровыми сигналами. Часть из них специализирована для
подключения к цифровым ТТЛ-микросхемам (597СА2), часть — цифровым
ЭСЛ-микросхемам (597СА1), однако большинство является т.н. «компараторами
широкого применения» (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3).
Их основное отличие от ОУ заключается в особом устройстве выходного каскада,
который выполнен на транзисторе с открытым коллектором (Рис. 16).
Рис. 16 Выходной каскад компараторов
широкого применения
и его подключение к нагрузочному резистору
Это требует обязательного применения
внешнего нагрузочного резистора (R1), без
которого выходной сигнал просто физически не способен сформировать высокий
(положительный) выходной уровень. Напряжение +U2, к
которому подключается нагрузочный резистор, может быть иным, чем напряжение
питания +U1 самой микросхемы компаратора. Это позволяет
простыми средствами обеспечить выходной сигнал нужного уровня — будь он ТТЛ или
КМОП.
Примечание
В большинстве
компараторов, примером которых могут быть сдвоенные LM393
(LM193/LM293) или точно такие
же по схемотехнике, но счетверенные LM339 (LM139/LM239), эмиттер транзистора
выходного каскада соединен с минусовым выводом питания, что несколько
ограничивает область их применения. В этой связи хотел бы обратить внимание
на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом которого является отечественный
521/554СА3, в котором отдельно выведены как коллектор, так и эмиттер
выходного транзистора, которые можно подключать к иным напряжениям, чем
напряжения питания самого компаратора. Единственным и относительным его
недостатком является лишь то, что в 8-выводном (иногда в 14 выводном) корпусе
он всего лишь один.
До сих пор мы рассматривали схемы, в
которых входной сигнал поступал на вход(ы) через Rвх,
т.е. все они являлись преобразователями входного напряжения в выходное напряжение же. При этом входной ток протекал через Rвх. А что будет, если его сопротивление принять равным нулю?
Работать схема будет точно так же, как и рассмотренный выше инвертирующий
усилитель, лишь в качестве Rвх будет служить выходное
сопротивление источника сигнала (Rвых), а мы получим преобразователь входного тока в выходное напряжение (Рис. 17).
Рис. 17 Схема преобразователя тока в напряжение на ОУ
Поскольку на инвертирующем входе
потенциал такой же, как и на неинвертирующем (в данном случае равен «виртуальному
нулю»), весь входной ток (Iвх) будет
протекать через Rоос между выходом источника сигнала (G) и выходом ОУ. Входное сопротивление такой схемы близко к
нулевому, что позволяет строить на ее основе микро/миллиамперметры, практически
не влияющие на ток, протекающий по измеряемой цепи. Пожалуй, единственным ограничением
является допустимый диапазон входных напряжений ОУ, который не следует
превышать. С её помощью можно построить также, например, линейный
преобразователь тока фотодиода в напряжение и множество других схем.
Мы рассмотрели основные принципы
функционирования ОУ в различных схемах его включения. Остался один важный
вопрос: их питание.
Как было сказано выше, ОУ типично
имеет всего 5 выводов: два входа, выход и два вывода питания, положительного и
отрицательного. В общем случае используется двуполярное питание, то есть
источник питания имеет три вывода с потенциалами: +U; 0; –U.
Ещё раз внимательно рассмотрим все
приведенные выше рисунки и увидим, что отдельного вывода средней точки в ОУ НЕТ! Для работы их внутренней схемы она просто не нужна. На некоторых
схемах со средней точкой соединялся неинвертирующий вход, однако, это не
является правилом.
Вставка
Специальный вывод
средней точки «изнутри» кристалла был лишь в самом первом интегральном ОУ μA702 (отечественная реплика — К1УТ401,
переименованный позднее в К140УД1). В некоторых других ОУ (К140УД8, К574УД2,
К140УД13 и др.) отдельным выводом заземлялся (занулялся) корпус исключительно
для повышения их защищенности от помех (наводок).
Следовательно, подавляющее большинство современных ОУ предназначены для питания ОДНОПОЛЯРНЫМ напряжением!
Возникает закономерный вопрос: «А зачем же тогда нужно двуполярное питание»,
если мы так упорно и с завидным постоянством изображали его на рисунках?
Оказывается, оно просто очень
удобно для практических целей по следующим причинам:
А) Для обеспечения достаточного
тока и размаха выходного напряжения через нагрузку (Рис. 18).
Рис. 18 Протекание выходного тока через нагрузку при
различных вариантах питании ОУ
Пока что не будем рассматривать
входные (и ООС) цепи схем, изображенных на рисунке («чёрный ящик»). Примем, как
данность, что на вход подается какой-то входной синусоидальный сигнал (черная
синусоида на графиках) и на выходе получается такой же синусоидальный сигнал,
усиленный по отношению ко входному цветная синусоида на графиках).
При подключении нагрузки Rнагр. между выходом ОУ и средней точки соединения источников
питания (GB1 и GB2) —
Рис. 18, А, ток через нагрузку протекает симметрично относительно
средней точки (соответственно, красная и синяя полуволны), а его амплитуда
максимальна и амплитуда напряжения на Rнагр. также
максимально возможна — она может достигать почти напряжений питания. Ток от
источника питания соответствующей полярности замыкается через ОУ, Rнагр. и источник питания (красная и синяя линии,
показывающие протекание тока в соответствующем направлении).
Поскольку внутреннее сопротивление
источников питания ОУ весьма мало, ток, проходящий через нагрузку, ограничен
лишь её сопротивлением и максимальным выходным током ОУ, которое типично составляет
25 мА.
Примечание
Даже в не очень
свежих цинк-угольных гальванических элементах внутренне сопротивление
составляет единицы Ом, не говоря уж о сетевых блоках питания, щелочных и, тем
более, кислотных аккумуляторах, В которых оно составляет сотые и тысячные
доли Ома.
При питании ОУ однополярным
напряжением в качестве общей шины выбирается обычно отрицательный
(минусовый) полюс источника питания, к которому и подключается второй вывод
нагрузки (Рис. 18, Б). Теперь ток через нагрузку может протекать
лишь в одном направлении (показано красной линией), второму направлению просто
неоткуда взяться. Иными словами, ток через нагрузку становится асимметричным
(пульсирующим).
Однозначно утверждать, что такой
вариант плох, нельзя. Если нагрузкой является, скажем, динамическая головка, то
для неё это плохо однозначно. Но, существует множество применений, когда подключение
нагрузки между выходом ОУ и одной из шин питания (как правило, отрицательной
полярности), не лишь допустимо, но и единственно возможно.
Если же всё-таки нужно обеспечить
симметрию протекания тока через нагрузку при однополярном питании, то
приходится гальванически развязывать её от выхода ОУ гальванически конденсатором С1
(Рис. 18, В).
Б) Для обеспечения
нужного тока инвертирующего входа, а также привязки входных сигналов к
какому-то произвольно выбранному уровню, принимаемому за
опорный (нулевой) — задания режима работы ОУ по постоянному току
(Рис. 19).
Рис. 19 Подключение источника входного сигнала при
различных вариантах питания ОУ
Теперь рассмотрим варианты
подключения источников входных сигналов, исключив из рассмотрения подключение
нагрузки.
Подключение инвертирующего и
неинвертирующего входов к средней точке соединения источников питания
(Рис. 19, А) было рассмотрено при анализе приведенных ранее схем.
Если неинвертирующий вход тока не потребляет и просто принимает потенциал
средней точки, то через источник сигнала (G) и Rвх, включенные последовательно, ток-то протекает, замыкаясь
через соответствующий источник питания! А поскольку их внутренние сопротивления
пренебрежимо малы по сравнению со входным током (на много порядков меньше, чем Rвх), то и влияния на напряжения питания он практически не
оказывает.
Таким образом, при однополярном
питании ОУ, можно совершенно спокойно сформировать потенциал, подаваемый на его
неинвертирующий вход, с помощью делителя R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типичные номиналы
резисторов этого делителя составляют 10…100 кОм, причем нижний (подключенный к
общей минусовой шине) крайне желательно зашунтировать конденсатором на 10…22 мкф,
чтобы существенно снизить влияние пульсаций напряжения питания на потенциал
такой искусственной средней точки.
А вот источник сигнала (G) к этой искусственной средней точке подключать крайне
нежелательно всё из-за того же входного тока. Давайте прикинем. Даже при
номиналах делителя R1R2 = 10
кОм и Rвх = 10…100 кОм, входной ток Iвх составит в лучшем случае 1/10, а в худшем —
до 100% тока, проходящего через делитель. Следовательно, на слишь же будет
«плавать» потенциал на неинвертирующем входе в сочетании (синфазно) с входным
сигналом.
Чтобы устранить взаимовлияние входов
друг на друга при усилении сигналов постоянного тока при таком включении, для
источника сигнала следует организовать отдельный потенциал искусственной
средней точки, формируемый резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), либо, если усиливается сигнал
переменного тока, гальванически развязать источник сигнала от инвертирующего
входа конденсатором С2 (Рис. 19, В).
Следует отметить, что в приведенных
выше схемах (Рис. 18, 19) мы по умолчанию приняли допущение, что выходной
сигнал должен быть симметричным относительно либо средней точки источников
питания, либо искусственной средней точки. В реальности это нужно не всегда.
Довольно часто нужно, чтобы выходной сигнал имел преимущественно либо положительную,
либо отрицательную полярность. Потому совершенно не обязательно, чтобы
положительная и отрицательная полярности источника питания были равны по
абсолютному значению. Одно из них может быть значительно меньше по абсолютному
значению, чем другое — лишь таким, чтобы обеспечить нормальное
функционирование ОУ.
Возникает закономерный вопрос: «А
каким именно»? Чтобы ответить на него, коротко рассмотрим допустимые диапазоны
напряжений входных и выходного сигналов ОУ.
У любого ОУ потенциал на выходе не
может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и ниже, чем потенциал
отрицательной шины питания. Иными словами, выходное напряжение не может выйти
за пределы питающих напряжений. К примеру, для ОУ OPA277 выходное напряжение при
сопротивлении нагрузки 10 кОм меньше напряжения положительной шины питания на 2
В и отрицательной шины питания — на 0,5 В. Ширина этих «мертвых зон» выходного
напряжения, которых не может достичь выход ОУ, зависит от ряда факторов, таких,
как схемотехника выходного каскада, сопротивление нагрузки и др.). Существуют
ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до напряжения шин
питания при нагрузке 10 кОм (для OPA340), эта особенность ОУ называется
«rail-to-rail» (R2R).
С другой стороны, для ОУ широкого
применения входные сигналы также не должны превышать напряжения питания, а для
некоторых — быть меньше их на 1,5…2 В. Но, существуют ОУ со специфической
схемотехникой входного каскада (например, те же LM358/LM324), которые могут работать не лишь от уровня отрицательного
питания, но даже «минусовее» его на 0,3 В, что существенно облегчает их
использование при однополярном питании с общей отрицательной шиной.
Примечание
Слово «rail»
переводится с английского, как «рельс», «шина». Т.е., дословно получается «от
рельса-до-рельса» («от шины-до-шины») или, иными словами, «во всем диапазоне
питающих напряжений». В полном объеме этот термин обозначает, что
теоретически такой размах сигнала можно снимать с выхода и такой же размах входного
сигнала подавать на вход.
Давайте, наконец, рассмотрим и пощупаем
этих «жучков-паучков». Можно даже обнюхать и облизать. Разрешаю. Рассмотрим их
наиболее частые варианты, доступные начинающим радиолюбителям. Тем более, если
приходится выпаивать ОУ из старой аппаратуры.
Для ОУ старых разработок, в обязательном порядке требующих внешних цепей для частотной коррекции, чтобы предотвратить самовозбуждение, было характерно наличие дополнительных выводов. Некоторые ОУ из-за этого даже не «влезали» в 8-выводный корпус (рис. 20, А) и изготавливались в 12-выводных круглых металло-стеклянных, например, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) или в 14-выводных DIP-корпусах, например, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Аббревиатура DIP является сокращением английского выражения «Dual In line Package» и переводится как «корпус с двусторонним расположением выводов».
Круглый металло-стеклянный корпус (Рис. 20, А, Б) применялся, как основной, для импортных ОУ примерно до середины 70-х годов, а для отечественных ОУ — до середины 80-х и применяется сейчас для т.н. «военных» применений («5-я приемка»).
Иногда отечественные ОУ размещались в довольно «экзотических» в настоящее время корпусах: 15-выводный прямоугольный метало-стеклянный для гибридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в котором ключом является дополнительный 15-й вывод от корпуса, и других. Правда, планарные 14-выводные корпуса (Рис. 20, Д) для размещения в них ОУ мне лично не встречались. Они применялись для цифровых микросхем.
Рис. 20 Корпуса отечественных операционных
усилителей
Современные же ОУ в большинстве своем
содержат корректирующие цепи прямо на кристалле, что позволило обходиться
минимальным количеством выводов (как пример — 5-выводный SOT23-5
для одиночного ОУ — Рис. 23). Это позволило в одном корпусе размещать по
два-четыре полностью независимых (кроме общих выводов питания) ОУ,
изготовленных на одном кристалле.
Рис. 21 Двухрядные пластиковые корпуса
современных ОУ для выводного монтажа (DIP)
Иногда можно встретить ОУ,
размещенные в однорядных 8-выводных (Рис. 22) либо 9-выводных корпусах (SIP) — К1005УД1. Аббревиатура SIP является
сокращением английского выражения «Single In line
Package» и переводится как «корпус с односторонним расположением выводов».
Рис. 22 Однорядный пластиковый корпус сдвоенных ОУ для
выводного монтажа (SIP-8)
Они были разработаны для минимизации
места, занимаемого на плате, но, к сожалению, «опоздали»: к этому времени
широкое распространение заняли корпуса для поверхностного монтажа (SMD — Surface Mounting Device)
путем подпайки прямо к дорожкам платы (Рис. 23). Но, для начинающих их
использование представляет существенные сложности.
Примечание
9-выводные SIP-корпуса обладают интересной особенностью: выводы
положительного напряжения питания (+U) расположены по
краям корпуса (1-й и 9-й) и соединены вместе. Как корпус ни запаивай — не
ошибешься, т.к. цоколевка самих ОУ симметрична относительно вывода
отрицательного питания (5-й вывод).
Рис. 23 Корпуса современных импортных ОУ для
поверхностного монтажа (SMD)
Очень часто одна и та же микросхема
может «упаковываться» производителем в различные корпуса (Рис. 24).
Рис. 24 Варианты размещения одной и той же
микросхемы
в разных корпусах
Выводы всех микросхем имеют
последовательную нумерацию, отсчитываемую от т.н. «ключа», указывающего на
расположение вывода под номером 1. (Рис. 25). В любом случае, если расположить корпус выводами от себя, их нумерация по
возрастающей идет против часовой стрелки!
Рис. 25 Расположение выводов операционных
усилителей
в различных корпусах (цоколевка), вид сверху;
направление нумерации показано стрелками
В круглых металло-стеклянных корпусах
ключ имеет вид бокового выступа (Рис. 25, А, Б). Вот с
расположения этого ключа возможны огроменных размеров «грабли»! В отечественных
8-выводных корпусах (302.8) ключ располагается напротив первого вывода (Рис. 25,
А), а в импортных ТО-5 — напротив восьмого вывода (Рис. 25, Б). В
12-выводных корпусах, как отечественных (302.12), так и импортных, ключ
расположен между первым и 12-м выводами.
Обычно инвертирующий вход как в
круглых металло-стеклянных, так и в DIP-корпусах, соединен
со 2-м выводом, неинвертирующий — с 3-м, выход — с 6-м, минус питания — с 4-м и
плюс питания — с 7-м. Но, есть и исключения (ещё одни возможные «грабли»!) в
цоколевке ОУ К140УД8, К574УД1. В них нумерация выводов сдвинута на один против
часовой стрелки по сравнению с общепринятой для большинства других типов, т.е.
с выводами они соединены, как в импортных корпусах (Рис. 25, Б), а
нумерация соответствует отечественным (Рис. 25, А).
В последние годы большинство ОУ
«бытового назначения» стали размещать в пластмассовых корпусах (Рис. 21, 25, В-Д).
В этих корпусах ключом является либо углубление (точка) напротив первого
вывода, либо вырез в торце корпуса между первым и 8-м (DIP-8)
или 14-м (DIP-14) выводами, либо фаска вдоль первой
половины выводов (Рис. 21, посередине). Нумерация выводов в этих корпусах
также идет против часовой стрелки при виде сверху
(выводами от себя).
Как было сказано выше, ОУ с
внутренней коррекцией имеют всего пять выводов, из которых лишь три (два
входа и выход) принадлежат каждому отдельному ОУ. Это позволило в одном
8-выводном корпусе разместить на одном кристалле по два полностью независимых
(за исключением плюса и минуса питания, требующих ещё 2-х выводов) ОУ
(Рис. 25, Г), а в 14-выводном корпусе — даже четыре
(Рис. 25, Д). В итоге в настоящее время большинство ОУ выпускаются
как минимум сдвоенными, например, TL062, TL072, TL082, дешевые и простые LM358 и др. Точно такие же по внутренней структуре, но
счетверенные — соответственно, TL064, TL074, TL084 и LM324.
В отношении отечественного аналога LM324 (К1401УД2) существуют ещё одни «грабли»: если в LM324 плюс питания выведен на 4-й вывод, а минус — на 11-й,
то в К1401УД2 наоборот: плюс питания выведен на 11-й вывод, а минус — на 4-й.
Но, никаких сложностей с разводкой это отличие не вызывает. Поскольку
цоколевка выводов ОУ полностью симметрична (Рис. 25, Д), нужно просто
перевернуть корпус на 180 градусов, чтобы 1-й вывод занял место 8-го. Да и всё.
Пара слов относительно маркировки
импортных ОУ (да и не лишь ОУ). Для ряда разработок первых 300 цифровых
обозначений было принято обозначать группу качества первой цифрой цифрового
кода. К примеру, ОУ LM158/LM258/LM358, компараторы LM193/LM293/LM393, регулируемые
3-хвыводные стабилизаторы TL117/TL217/TL317 и пр. совершенно идентичны по внутренней структуре, но
различаются по температурному рабочему диапазону. Для LM158
(TL117) диапазон рабочих температур составляет от минус
55 до +125…150 градусов по Цельсию (т.н. «боевой» или военный диапазон), для LM258 (TL217) — от минус 40 до +85
градусов («промышленный» диапазон) и для LM358 (TL317) — от 0 до +70 градусов («бытовой» диапазон). При этом
цена на них может быть совершенно не соответствующей такой градации, либо
отличаться очень незначительно (неисповедимы пути ценообразования!). Так
что покупать их можно с любой маркировкой, доступной «для кармана» начинающего,
особо не гоняясь за первой «тройкой».
После исчерпания первых 3-х сотен
цифровой маркировки группы надежности стали отмечать буквами, значение которых
расшифровываются в даташитах (Datasheet дословно
переводится как «таблица данных») на данные компоненты.
Заключение
Вот мы и изучили «азбуку» работы ОУ,
немного захватив и компараторы. Дальше надо учиться складывать из этих «букв»
слова, предложения и целые осмысленные «сочинения» (работоспособные схемы).
К сожалению, «Невозможно объять
необъятное». Если изложенный в данной статье материал помог понять, как
работают эти «черные ящики», то дальнейшее углубление в разбор их «начинки»,
влияния входных, выходных и переходных характеристик, является задачей более
продвинутого изучения. Информация об этом подробно и досконально изложена во
множестве существующей литературы. Как говаривал дедушка Вильям Оккам: «Не
следует умножать сущности сверх необходимого». Незачем повторять уже хорошо
описанное. Нужно лишь не лениться и прочитать её.
Дополнительные источники информации:
1.
Операционные усилители в звукотехнике
2. http://www.intuit.ru/department/hardware/digs/2/1.html#keyword-context.5
3. http://www.soel.ru/cms/f/?/366897.pdf
4. Хоровиц, П.
Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл.— М.: Мир. Т.1.— раздел
5 «Обратная связь и операционные усилители».
5. http://icmicro.narod.ru/info_ru/opamp/opamp.htm
6. Алексенко, А.Г.
Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет,
Г.И. Стародуб.— 2-е изд.— М.: Радио и связь, 1985.— 256 с. http://bamper.info/view_news.php?id=279
7. http://easyelectronics.ru/operacionnyj-usilitel.html
8.http://habrahabr.ru/post/112665/
9.http://habrahabr.ru/post/112692/
10. http://habrahabr.ru/post/112996/
11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Засим позвольте откланяться, с
уважением и проч., автор Алексей Соколюк (Falconist)