Операционные усилители часть 1

Мы начинаем новый цикл об операционных усилителях. Тема очень большая. Но не бойтесь! На практике вам потребуется не большая часть знаний. Я обещаю вам что все о чем мы будем говорить, окажется на удивление просты. У вас нет причин боятся этих  очень полезных элементов. Операционные усилители вы скоро будите считать очень удобными и универсальными компонентами. Для того что бы как можно быстрее их практически использовать, будет придерживаться следующего порядка: сначала немного истории, потом немного о параметрах, основные схемы работы и сразу после этого я дам необходимое советы, благодаря этому вы будите иметь возможность использовать полученные знания на практике. Лишь потом в последующих разделах, мы будем работать руками, т.е. пребывать примеры использования операционных усилителей и тогда я дам вам дальнейшие важные сведения, расширяющие горизонты.

Немного истории

Как известно первый настоящий цифровой компьютер (ENIAC) был создан лишь во второй половине 40-х годов. Еще раньше, уже в 20-е годы ученые отметили, что некоторые процессы можно имитировать с помощью соответствующим образом подобранных электрических цепей. Более того, оказалось что электронные схемы, содержащие усилители и хитро настроенные RC цепи могут быть полезны для решения … сложных дифференциальные уравнения. В время второй мировой войны ученые настойчиво искали новые способы математических вычислений. Это было нужно не только для молодой тогда ядерной физики, но и например для расчета, исследования и моделирования прежде всего полетов снарядов и ракет. Таким образом появились настоящие компьютеры … аналоговые. Набор RC цепочек, усилителей, регуляторов напряжения и других блоков давал возможность очень просто осуществлять сложение, вычитание, интегрирования и дифференцирования. А с использование дополнительных приемов, можно было производить логарифмирование, умножение, деление, возведение в квадрат и извлечение квадратного корня. Главными «строительными кирпичиками» таких аналоговых компьютеров были специфические усилители (конечно ламповые). Именно эти усилители после добавления соответствующих внешних цепей обратной связи, выполняли указанные математические операции. В 40-х годах их начали называть операционными усилителями. Это было были большие устройства, содержавшие несколько или несколько десятков электронных ламп, потребляли большое количество энергии. Через некоторое время были созданы транзисторные операционные усилители, построенные из отдельных элементов. Потом появились операционные усилители в виде интегральных схем, сначала гибридных, потом крошечных интегральных. Несомненным поворотных моментом было создание в 1967 году известный интегральной схемы под названием UA741 (а коротко 741 – русский аналог К140УД7). Он имел своих предшественников, например микросхемы UA702 или UA709 (известны так же их чешские аналоги МАА501…504, и русские К140УД1), но они имели существенные недостатки. Микросхема 741 оказалось настоящим откровением и не только для 60-х годов и на протяжении длительного времени. Потом были еще схемы, назовем несколько LM101 (польский аналог ULY7701, русский К153УД2) LM108 (К140УД14) с так называемыми супер-бета транзисторам, UA715 – быстродействующий, UA725 (К153УД5) – прецизионный, UA740 – с транзисторами FET на входе, LF356 (FET), CA3130 (MOSFET), μA776 (программируемый), LM358 (двойной), LM324 (двойной), TL08X (FET), и т.д. Развитие технологии позволило производить операционные усилители все более близкие к идеальным. Сегодня на рынке можно встретить бесчисленное множество типовых микросхем операционных усилителей многих фирм. По оценкам, производство операционных усилителей по всему миру достигает четверть миллиарда штук в год. Откуда эта невероятная популярность? В конце концов, об аналоговых компьютерах остались лишь смутные воспоминания, и молодое поколение да же не знает что такие компьютеры успешно конкурировали с цифровыми. Аналоговых компьютеров действительно нет, но оказалось что область применения этих усилителей очень большая. В цифровой электронике основными строительными блоками являются логические схемы из которых состоят более сложные схемы, даже микропроцессоры. В других областях электроники (аналоговой техники) основным элементом является … операционный усилитель, а не транзистор. Так получилось, что ужасное слово «операционный» сегодня вводит в заблуждение – усилители «операционные» не только потому что используются для решения дифференциальных уравнений второго порядка, а еще используются в усилителях, генераторах, фильтрах, регуляторах и многих других полезных устройствах. В принципе можно было найти и лучшее название, но исторически так сложилось. В англоязычной литературе часто встречается сокращение "op amp” или даже О.А. полученные от "operational amplifier”.

Основы

Принцип действия операционного усилителя очень прост хотя на первый взгляд, может показаться странным. Хотя существуют сотни типов микросхем операционных усилителей, принцип действия их одинаковый. Каждый такой усилитель – это элемент, который имеет дифференциальный вход – выход смотри рисунок 1. На самом деле еще есть два вывода питания, но их как правило на принципиальной схеме не изображают. Вы должны обратить на это внимание.

Как правило операционный усилитель питается симметричным напряжением, как показано на рисунке 2, иногда напряжения питания обозначают сокращениями VCC (положительное) и VEE (отрицательное). Выходное напряжение может принимать положительное или отрицательное значение относительно общего провода. Конечно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Диапазон выходного напряжения – всегда немного меньше чем напряжение питания – это связано с внутренней структурой. Диапазон напряжений, какие могут появиться на выходе показан синим цветом на рисунке 2.

Усилитель конечно же усиливает входное напряжение. Новичков часто пугает тот факт что, операционный усилитель имеет два входа, а не один. Так какое же входное напряжение он усиливает? Это очень важный вопрос – речь идет о дифференциальном входном напряжении, то есть разнице между напряжениями на входах. Усиление микросхемы ОУ очень большое даже огромно и составляет 30 000 … 1 000 000 в зависимости от типа. Следовательно, достаточно очень маленького изменения входного напряжения (порядка микровольтов), что бы существенно изменить выходное напряжение (на несколько или несколько десятков вольт). Вы уже знаете, что во время «нормальной» работы, т.е. линейной (когда выходное напряжение всегда в области, отмеченной на рисунке 2 синим цветом),  и напряжение  на входах практически одинаково. Это не значит, что всегда входное напряжение близко к нулю (общему проводу). Будьте внимательны! Это дифференциальное входное напряжение может существовать как бы на фоне большого общего напряжения. На рисунке 2а зеленым цветом показан допустимый диапазон общего входного напряжения. Вы наверное заметили, что этот диапазон меньше напряжения питания. Запомните, входное напряжение вовсе не должно быть близко к нулю на выходное напряжение влияет только дифференциальное напряжение, то есть разница напряжений между входами. Это иллюстрируют рисунке 2б и 2с.

Как я уже говорил, в режиме нормально работы дифференциальное входное напряжение очень не большое. Но с усилителем ничего не произойдет, если входное напряжение (дифференциальное) будет больше, скажем, один или несколько вольт выходное напряжение будет всегда близко к положительному или отрицательному напряжению питания. Рисунок 3 показывает несколько таких случаев и примеров напряжений. В таких случаях мы говорим что усилитель вошел в состояние насыщения или просто насыщение. Кратко: когда увеличивается напряжение на входе «+» (неинвертирующем) растет выходное напряжение. Увеличение напряжение на входе «-» (инвертирующем), уменьшает выходное напряжение.  Уменьшение напряжение на «минусовом» входе повышает выходное напряжение. Это показано на рисунке 4 – нужно усвоить эти основные правила. (Далее в цикле вместе с термином «неинвертирующий вход» будет использовать как синоним неточный термин «положительный вход». Так же вместо «инвертирующий вход» будет использоваться термин «отрицательный вход»).

Тем не менее, это может показаться очень странным – то, что усилитель имеет огромное усиление и некоторые странные свойства входа? «Голый» усилитель действительно выглядит несколько своеобразно. Но скоро станет ясно – что его свойства зависят в основном от внешний цепей обратной связи.

Но об этом чуть позже, а пока вернемся к «голому» операционному усилителю. Будьте внимательны! Вы поняли, что даже невероятно маленькое изменение входного напряжения (дифференциального), достаточно чтобы вызвать большое изменение выходного напряжения? Когда усиление составляет, допустим 100 000, изменение входного напряжения только на 50 микровольт, изменяет выходное напряжение на 5 Вольт. Если бы усиление было равно миллиону (есть и такие усилители), для этого достаточно уже 5 микровольт. 5 или даже 50 микровольтов невообразимо маленькое – можно смело пренебречь этими изменениям и глядя как изменяется выходное напряжение, можно сказать что входное напряжение практически не изменяется. Таким образом, для нормальной работе напряжения на обоих входах усилителя должно быть практически одинаковыми. Подумайте об этом! На первый взгляд это странное заявление. Но на самом деле, вы должны это понять в самом начале нашего приключения с операционными усилителями. Если входное напряжение будет больше, выходное сразу же перейдет в состояние насыщения, но в подавляющем большинстве случаев эти не так – выходное напряжение находится линейной области между напряжениями питания. Поэтому в таких схемах внешние элементы должны быть включены таким образом что бы сохранить на обоих входах одинаковое напряжение. Но каким образом? Подробности вы узнаете через некоторое время, но вы уже предчувствуете что для этого служит обратная связь, то есть подача сигнала с выхода на вход (инвертирующий). К этой теме мы еще вернемся, а пока взгляните на входные напряжения иначе.

Если напряжения на обоих входах во время работы в линейном режиме практически равны, то мы можем сказать что они … замкнуты. Не может быть! На самом деле они не соединены, в литературе это называется виртуальным замыканием смотри рисунок 5а…5с. Таким образом, если в схеме один из входов (на практике положительный) соединен с землей, второй отрицательный вход имеет практически нулевой потенциал. Мы говорим, что это виртуальный общий провод. Это иллюстрирует рисунок 5d.

Я надеюсь, что вы это понимаете. Если вас пугает название «виртуальный общий провод» не отчаивайтесь – со временем вы поймете. Я дал вам эти термины просто потому, что они встречаются в литературе. А в общей сложности речь идет только о том, что бы вызвать большое изменение выходного напряжения необходимо крошечное (дифференциальное) входное напряжение, и при этом в линейном режиме напряжения на обоих входах практически одинаковые.

И еще одно, я знаю что начинающих смущает тот факт что в настоящее время существуют сотни типов операционных усилителей. Означает ли это, что принцип действия их отличается?

Нет! Как я уже говорил, рассматриваемый принцип действия относится ко всем «нормальным» операционным усилителям. О «ненормальных» (трансимпедансных, Нортона, с обратной связью по току) я расскажу позже, что бы не было путаницы.

В таком случае, нужно использовать конкретный операционный усилитель? Будет ли работать другой? Должны ли вы знать все виды и типы операционных усилителей? Не бойтесь! В мастерской радиолюбителя всегда должно быть под рукой три или четыре вида операционных усилителей общего применения и небольшой стоимости ( например LM258, TL072, LF356, NE5532). Если в исключительных случаях необходим определенный тип, вы можете купить отдельно. Так почему же так много различных типов?

Здесь играют роль по крайней мере два аспекта. Во-первых разработанные микросхемы защищены патентами. Любая фирма может или купить лицензию у патентообладателя (для наиболее популярных микросхем) или разработать с нуля новый усилитель (аналогичный, но как правило имеющий лучшие характеристики).

Во-вторых и что более важно достижения в области технологии производства микросхем позволяют выпускать все более и более совершенные операционные усилители. Приближая их к идеальным.

Идеальный операционный усилитель:

- имеет бесконечно малый входной ток, т.е. бесконечно большое входное сопротивление,

- имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению

- имеет бесконечно малое выходное сопротивление (что означает что выходной ток ни чем не ограничен)

- имеет бесконечно большое быстродействие.

А еще хотелось бы, что он не потреблял электрической энергии))).

Такой идеальный усилитель, можно рассматривать как «черный ящик», содержащий источник напряжения (выходного), с очень маленькой разницей напряжений на входах. Часто в литературе встречается изображение модели идеального операционного усилителя как на рисунке 6. Именно такой примитив и будет нужен нам для предварительных размышлений и анализа. Для начала (для понимания основных зависимостей и приведения основных расчетов) стоит предположить, что каждый операционный усилитель – идеальный.

Хотя в нашем реальном мире не существует идеальных элементов, параметры многих операционных усилителей действительно близки и идеальным. Вот примеры таких усилителей.

Во входных цепях и правда текут токи, но они как правило порядка наноамперов или даже пикоамперов (миллиардных или биллонных частей ампера). Входное сопротивление хоть и не бесконечно большое, но всегда больше чем 1 Мом, а часто составляет сотни и тысячи мегаом. Усиление, хотя и не бесконечно, но оно огромно – 100 000 .. 1 000 000 раз и больше. Эффективный ток выхода так же ограничен, но как правило в пределах нескольких десятков миллиампер, что для практического использования достаточно. Стоит еще добавить, что обычно операционный усилитель в состоянии покоя потребляет от источника питания небольшой ток, порядка 1 мА (большие потребление, только когда он нагружен). Эти усилители, находясь в состоянии покоя, потребляют единицы или десятки микроампер.

А вот и объяснение, почему их так много – фактически операционные усилители отличаются друг от друга значениями параметров. Например быстродействием или пределом напряжения (обычно это +/-18 Вольт, и только у определенных типов +/-6В). Таким образом одни операционные усилители  универсальны – недороги и широко доступны. Но есть и гораздо более дорогие – элита: прецизионные, быстрые и сверхбыстрые, усилители с особенно малыми входными токами, малошумящие, с улучшенными характеристиками, микромощные и т.д.

И так вы уже примерно знаете, чем различаются отдельные типы операционных усилителей. Принимая во внимание упомянутые выше ограничения, можно нарисовать схему замены, как показано на рисунке 7. Правда и она не представляет всех ограничений и свойств (например, не содержит информации о быстродействии), но помогает понять, чем отличаются различные усилители.

Вооружившись предоставленной информацией вы уже готовы познакомиться с основными схемами работы операционного усилителя. Это исторический момент – вы отправляетесь в мир настоящей аналоговой электроники которую вы так боялись. Анализ покажется простым. В дополнении к тому что вы узнали об операционных усилителях вам необходимы:

1. способность к логическому мышлению
2. хорошее понимание закона Ома, то есть зависимости тока, от напряжения и сопротивления.
3. закон Киргофа, говоря иначе, что ток не может «погибнуть по дороге».
4. понимание распределения напряжения на резистивном делителе
5. зависимость тока он напряжения на конденсаторе (и наоборот).

В своем анализе мне иногда хочется начать с конца и задать вопрос, что будет если.. . Но это будет трудно понять. Поэтому начнем по порядку.

Простейшие применения.

На рисунке 9 вы найдете самый простой пример применения операционного усилителя. Отрицательный вход мы подключили к общему проводу, а на положительный подали небольшой синусоидальный сигнал. И что?

Если входное напряжение отличается от нуля более чем на микровольты (как упоминалось ранее), выходное напряжение становиться близко либо к положительному либо к отрицательному напряжению питания. Только невероятно крошечные сигналы «близкие к нулю», могут вызвать промежуточное выходное напряжение. Теоретически это так, но здесь вступают в игру и другие факторы, которыми я на данный момент не буду засорять вам голову. Скажу только, что слабый сигнал с любого микрофона имеет значение порядка менее 1 милливольта, что в сотни или даже в тысячи раз больше чем линейный диапазон работы операционного усилителя. Так что из этого очевидно, что наша схема слишком чувствительна, и практическое ее использование проблематично – выходное напряжение близко или к положительному или отрицательному напряжению питания (т.е. всегда находится в состоянии насыщения). В данном случае небольшой переменный сигнал превращается в прямоугольный. Эта схема часто используется, но только не как усилитель, а как компаратор, элемент сравнения напряжений на двух входах.

А теперь рассмотрим свойства схемы на рисунке 9. У нас есть один выход и один выход. Предположим, что вход мы подключим к общему проводу. Напряжение на положительном входе равно нулю. Анализ начнем с конца. Интересно, что бы произошло если бы….

На мгновение предположим, что выходное напряжение (и напряжение на входе -) было бы равно 1 Вольту. Такая большая разность напряжения (1 Вольт) немедленно изменило бы выходное