Попередній підсилювач

З ВИКОРИСТАННЯМ "ОП" Введення Мікроелектроніка - це область електроніки, що займається створенням електронних вузлів, блоків і пристроїв у мініатюрному інтегральному виконанні. Хід розвитку електроніки був зумовлений різким збільшенням функцій, виконуваних РЕА і підвищенням вимог до її надійності. Прогрес технології і схемотехніки, що дозволив створити нову елементну базу, був у 60-70 роках настільки швидким, що вона проявилася не лише в багатьох усталених термінах радіоелектроніки, але значно поповнив її словниковий запас. У 1971 р. був розроблений Державний стандарт з термінологічним питань (ГОСТ 17021-71). Він включив 16 термінів, причому поряд з загальними поняттями були дані однозначні визначення і для частин мікросхем. У 1979 р. був затверджений стандарт СТ РЕВ 1023-79 по термінам і визначень у галузі мікроелектроніки, і відповідно до цього були введені зміни в ГОСТ 17021-75, а в 1987 р. був випущений ГОСТ 27394-87, в 1988 р. - ГОСТ 17021-88. Інтегральна мікросхема - мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення, обробки сигналу і (або) накопичення інформації та має високу щільність упаковки електрично з'єднаних елементів і (або) кристалів, яке з точки зору вимог до випробувань, приймання, постачання та експлуатації розглядається як єдине ціле . Елемент інтегральної мікросхеми - це частина інтегральної мікросхеми, яка реалізує функцію якого-небудь радіоелементу (наприклад, транзистора, діода, резистора, конденсатора), яка виконана нероздільно від кристала або підкладки. Велика роль відводиться радіоелектроніки у забезпеченні високих швидкостей управління при високій точності. У космонавтиці, ядерній фізиці, обчислювальної техніки, кібернетики, електроенергетиці, на транспорті і в багатьох інших галузях широко застосовують засоби радіоелектроніки для управління і контролю самих різних процесів. Основними завданнями, які повинна вирішувати радіоелектроніка, є розробка та вдосконалення її елементної бази, особливо в галузі мікроелектроніки (мікросхеми, мікропроцесори тощо), впровадження останніх досягнень електроніки в народне господарство, вдосконалення технології виробництва електронних виробів і систем, підвищення якості та надійності цих виробів і т.д. 1.1. Класифікація підсилювачів 1.1.1. Електронними підсилювачами називають пристрої, призначені для підвищення потужності вхідних електричних сигналів. При цьому процес посилення сигналів здійснюється за допомогою підсилюючих елементів - транзисторів, що володіють керуючими властивостями. Малопотужний вхідний сигнал управляє витратою енергії джерела живлення значно більшого рівня потужності. 1.1.2. За призначенням розрізняють підсилювачі напруги, струму та потужності. У вихідний ланцюга підсилювача напруги діє сигнал, амплітуда напруги якого дорівнює Uвх * Kус.і. У вихідний ланцюга підсилювача струму діє сигнал, амплітуда напруги якого дорівнює Iвх * Kус.і. Підсилювачі потужності забезпечують заданий посилення у вихідний ланцюга як по струму, так і за напругою. 1.1.3. Залежно від характеру зміни в часі вхідного сигналу розрізняють підсилювачі постійного і змінного струму. Для підсилювачів постійного струму характерна наявність посилення вже при нижній частоті f = 0. 1.1.4. Якщо посилення одного підсилювального елемента недостатньо, то в якості навантаження каскаду використовують вхідний ланцюг друга підсилювального елемента і т.д. Підсилювач, що містить кілька щаблів посилення, називають багатокаскадні. 1.1.5. Розглянуті принципи побудови підсилювальних каскадів використовують при проектуванні інтегральних мікросхем аналогічного призначення. Технологічно такі підсилювачі виконують у вигляді монолітної схеми, що містить всі необхідні елементи в інтегральному виконанні. Виконувана ними функція описується рівнянням U вих = kи * Uвх 1.2. Принципова схема операційного підсилювача (ЗУ) 1.2.1. Операційні підсилювачі (ОП) в інтегральному виконанні в даний час складають основу аналогових інтегральних мікросхем. Наведено схему першого покоління. Інтегральні ОУ другого і третього покоління більш розвинені і вдосконалені. 1.2.2. Операційні підсилювачі призначені для виконання математичних операцій при використанні його у схемі зі зворотним зв'язком. Проте, область застосування ЗУ, виконаного у вигляді мікросхеми, значно ширше. Тому в даний під ОУ прийнято розуміти мікросхему - підсилювач постійного струму, що дозволяє будувати вузли апаратури, функції і технічні характеристики яких залежать тільки від властивостей ланцюга зворотного зв'язку, в яку він включений. 1.3. Основні параметри ЗУ 1.3.1. Інтегральний ЗУ має наступні основні параметри: 1. Коефіцієнт посилення напруги Kуі - відношення зміни вихідної напруги. У загальному випадку, коефіцієнт посилення ОУ, не охопленого зворотним зв'язком, дорівнює добутку Kуі всіх його каскадів. В даний час Kу деяких підсилювачів по постійному струму перевищує 3 * 106. Проте його значення зменшується із зростанням частоти вхідного сигналу, при цьому сумарна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) має стільки зламів, скільки підсилювальних каскадів в ОУ. Кожен каскад на високих частотах вносить фазовий зсув, який впливає на сталу роботу ОУ, охопленого негативним зворотним зв'язком (ООС). Стійкої роботи підсилюючих каскадів ОУ домагаються введенням частотної корекції - зовнішніх навантажувальних RC-ланцюгів. Для стабілізації двокаскадного підсилювача зазвичай потрібно один ланцюг, трехкаскадного - дві. Багато ОУ останніх випусків не вимагають зовнішніх ланцюгів корекції, тому що в їх схему вже введені необхідні елементи. 2. Частота одиничного посилення f1 - значення частоти вхідного сигналу, при якому значення коефіцієнта посилення напруги ОУ падає до одиниці. Цей параметр визначає максимально реалізовану смугу посилення ОУ. Вихідна напруга на цій частоті нижче, ніж для постійного струму приблизно в 30 разів. 3. Максимальна вихідна напруга Uвих.макс - максимальне значення вихідної напруги, при якому спотворення не перевищують заданого значення. У вітчизняній практиці цей параметр вимірюється + Uвих.макс щодо нульового потенціалу як в позитивну, так і в негативну сторону. У зарубіжних каталогах наводять значення максимального діапазону вихідних напруг, що дорівнює 2Uвих. Вихідна напруга вимірюється при певному опорі навантаження. При зменшенні опору навантаження величина Uвих.макс зменшується. 4. Швидкість наростання вихідної напруги VUвих - відношення зміни U вих від 10 до 90% від свого номінального значення до часу, за яке сталося це зміна. Параметр характеризує швидкість відгуку ОУ на поетапне зміна сигналу на вході; при вимірюванні ОУ охоплений ООС з загальним коефіцієнтом підсилення від 1 до 10. 5. Напруга зсуву Uсм - значення напруги, яке необхідно подати на вхід ОП, щоб на виході напруга була дорівнює нулю. Операційний підсилювач реалізується у вигляді мікросхеми зі значним числом транзисторів, характеристики яких мають розкид за параметрами, що призводить до появи постійної напруги на виході за відсутності сигналу на вході. Параметр Uсм допомагає розробникам розраховувати схеми пристроїв, підбирати номінали компенсаційних резисторів. 6. Вхідні струми Iвх - струми, що протікають через вхідні контакти ОУ. Ці струми обумовлені базовими струмами вхідних біполярних транзисторів і струмами витоку затворів для ОП з польовими транзисторами на вході. Вхідні струми, проходячи через внутрішній опір джерела сигналу, створюють падіння напруг, які можуть викликати появу напруг на виході за відсутності сигналу на вході. 7. Різниця вхідних струмів. Вхідні струми можуть відрізнятися один від одного на 10 ... 20%. Знаючи різницю вхідних струмів, можна легко підібрати номінал балансувального резистора. Всі параметри ОУ змінюють своє значення - дрейфують зі зміною температури. Особливо важливими дрейфами є: 8. Дрейф напруги зміщення DUсм 9. Дрейф різниці вхідних струмів DIвх. 10. Максимальна вхідна напруга Uвх - напруга, що прикладається між вхідними контактами ОУ, перевищення якого веде до виходу параметрів за встановлені межі або руйнування приладу. 11. Максимальне синфазное вхідна напруга Uвх.сф - найбільше значення напруги, що прикладається одночасно до обох вхідних виводів ОУ щодо нульового потенціалу, перевищення якого порушує працездатність приладу. У вітчизняній документації наводять модуль величини Uвх.сф, а зарубіжної - діапазон. 12. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу Кос.сф - відношення коефіцієнта посилення напруги, прикладеної між входами ОУ, до коефіцієнта посилення загального для обох входів напруги. 13. Вихідний струм - максимальне значення вихідного струму ОУ, при якому гарантується працездатність приладу. Це значення визначає мінімальний опір навантаження. Дуже важливо при розрахунку комплексного опору навантаження враховувати, що при перехідних процесах включення (виключення) ЗУ значення ємнісної чи індуктивної складової опору навантаження різко змінюються, і при неправильному підборі навантаження схема може вийти з ладу. Часто замість значення Iвих в документації наводять мінімальне значення опір навантаження Rн.мін. Велика частина ОУ, розроблених останнім часом, має каскад, що обмежує величину вхідного струму при раптовому замиканні вихідного контакту на шину джерела живлення або нульовий потенціал. Граничний вихідний струм при цьому - струм короткого замикання Iк.з дорівнює 25 мА. 1.3.2. Конструктори і технологи мікросхем ОУ постійно шукають способи поліпшення основних параметрів приладів: збільшення f1, VUвих та ін Застосовуючи схемотехнічні рішення і вводячи нові технологічні прийоми, намагаються знизити значення "паразитних" параметрів Uсм, Iвх, DIвх та їх дрейфов, а також потужність, споживану приладом. Як правило, досягти максимального значення для всіх параметрів неможливо. Досягнення максимального значення одного параметра часто здійснюється за рахунок погіршення іншого. Так, збільшення коефіцієнта посилення по напрузі тягне за собою зниження частотних властивостей і навпаки. Як результат пошуків і еволюції схемотехнічних і технологічних рішень було створено низку ОУ, який відповідно до кваліфікації за ГОСТ 4465-86 ділиться на: універсальні (загального застосування), у яких Куu = 103 ... 105; f1 = 1.5 ... 10 МГц; прецизійні (інструментальні) з Куu> 0.5 * 106 і гарантованими малими рівнями Uсм 0.5 мВ та його дрейфу; швидкодіючі зі швидкістю наростання вихідної напруги VUвих 20 В / мкс; регульовані (мікропотужні) з струмом споживання Iпот <1 мА. 1.3.3. Залежно від умов подання на вхід ОП підсилюється сигналу, а також з урахуванням підключення зовнішніх компонентів можна отримати інвертується і неінвертірующего включення підсилювача. Будь-яке схемотехнічне рішення із застосуванням ОУ містить одне з таких включень. На рис. 2а наведено модель инвертирующего включення ОП. Оскільки посилення ЗУ велике, те з невеликою помилкою будемо рахувати таку модель ідеальної, що відповідає виконанню умов Ku ® Г та Ki ® 0, де Ku і Ki - коефіцієнти посилення з напруження і струму без зворотного зв'язку, також а Rвх ® Г та Rвих ® Г. У цьому випадку коефіцієнт ОУ буде дорівнює: Знак "-" в рівнянні вказує на інвертування фази (полярності) вихідного сигналу. На рис. 2б наведено модель неінвертірующего ОУ. Беручи до уваги модель ОУ ідеальною, як і в попередньому випадку Ku ® Г і Ki ® Г, Rвх ® Г і Rвих ® 0, для даної схеми У даному випадку знак "-" відсутня, тому що фаза (полярність) вихідного сигналу збігається з фазою вхідного сигналу. Вхідний опір реального инвертирующего підсилювача з урахуванням наявності зворотного зв'язку велике: , Де Rвх.м - власне вхідний опір мікросхеми; Ku - коефіцієнт посилення мікросхеми без зворотного зв'язку. Вихідний опір реального неінвертірующего підсилювача мало , Де Rвих.м - власне вихідний опір мікросхеми. 1.4. Схеми включення ЗУ Принципова схема розробляється підсилювача може бути виконана з використанням диференціальних мікросхем наступних серій: К140, К153, К154, К544, К574 і ін Дані ланцюгів частотної корекції і ланцюгів балансу взяті з довідкової літератури щодо практичного застосування мікросхем. Ланцюги частотної корекції запобігають самозбудження підсилювача, а ланцюга балансу при великому коефіцієнті посилення дозволяють у відсутності вхідного сигналу встановити на виході мікросхеми напруга рівне нулю. Коефіцієнт посилення даного каскаду буде дорівнює (як уже говорилося вище), а значення R3 вибирають рівним R1.