Монолитные операционные усилители за последнее десятилетие получили столь широкое распространение в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения, что уже не нуждаются в обычном для предисловия представлении. Операционный усилитель стал не только основным аналоговым элементом (подобно инвертору в цифровых устройствах), но используется для решения главных задач в устройствах сопряжения цифровой и аналоговой аппаратуры, а также во многих схемах цифровой электроники.

Выпуск литературы по этой теме уже прошел первый этап ознакомления с вопросом (многочисленные журнальные статьи); освоен второй этап - обобш.аю-щих монографий (в качестве примера можно назвать книгу Проектирование и применение операционных усилителей под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлс-мана. М., Мир , 1974). Сейчас настала пора издания учебников и спра(вочных пособий. В этом от!ношении знаменательно подключение к последнему этапу известного американского популяризатора технической литературы по радиоэлектронике Джона Ленка^), перевод книги которого здесь предлагается.

Операционные усилители в книге рассмотрены с учетом интересов их потребителей - среднего звена разработчиков различных радиоэлектронных устройств. Само построение усилителя описано кратко во введении, а основное внимание уделено вопросам практического использования операционного усилителя в линейных и нелинейных схемах. Указываются пути максимально полной реализации характеристик усилителя; о некоторых из них порой не подозревают даже изготовители.

Неоправданно большая часть книги выделена для так называемых операционных усилителей по передаточной проводимости (крутизне), которые представляют собой источники тока, управляемые напряжением (ИТУН). Эти элементы имеют важное, но ограниченное применение. Представляют большую практическую цен-

На русский язык переведена его книга Спрапочник по твердотельным усилителям . М., Мир , 1977.

ность описание аппаратуры и методы измерения характеристик и испытания операционных усилителей (в частности, фирменных тестера по оперативной проверке основных параметров и схемы измерения взрывных шумов) .

При переводе на русский язык основные термины заимствованы из ГОСТ 18421-73 и ГОСТ 19480-74. Перевод книги выполнен В. Л. ЛеВ|Иным (гл. 1-3) и И. М. Хейфецем (гл. 4-5).

Замечания и пожелания просим присылать в издательство Связь ПО адресу: 101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Эта книга, как показывает ее название, предназначена для тех, кто применяет операционные усилители (ОУ), а не проектирует их. Поэто.му вопросы расчета и применения ОУ рассматриваются здесь с учетом имеющихся в продаже функциональных узлов ОУ. Книга Принесет пользу в первую очередь инженерам-схемотехникам, желающим использовать ОУ или схемы на основе ОУ в проектируемых ими электронных системах, а также техникам, в обязанности которых входит обслуживание оборудования, содержащего ОУ. Кроме того, она может быть полезна инженерам-экспериментаторам и радиолюбителям.

Большинство имеющихся в продаже функциональных узлов ОУ выполнено в виде -интегральных схем {ИС). В данном руководстве предполагается, что читатель уже знаком с основами конструирования ИС (компоновка, температурные соображения, внутренняя конструкция, цепи питания и т. д.). Эти сведения достаточно полно приведены в книгах того же автора Руководство по применению интегральных схем (издательство Rcston Publishing Сотрапу , Рестон, шт. Вирджиния, 1973) и Руководство по применению МОП ИС (то же издательство, 1975). Однако данное руководство не содержит прямых ссылок иа какую-либо из этих книг. Кроме того, указания по применению, содержащиеся в руководстве, справедливы для любого типа ОУ - интегрального или на дискретных компонентах. Знг.читель-ная часть материала может быть использована даже для ОУ, собранных на вакуумных лампах.

Порядок изложения материала, принятый в данном

руководстве, служит одновременно трем целям: 1) обеспечить такое общее ознакомление читателя с теорией операционных усилителей, чтобы он свободно мог выбрать из многочисленных ОУ, имеющихся в свободной продаже, те, что в наилучшей степени удовлетворяют его частным техническим требованиям; 2) дать читателю конкретное представление об основных характеристиках ОУ с тем, чтобы, заказывая у того или иного изготовителя специальные ОУ, он мог сознательно задать на них технические требования; 3) показать читателю, какие еще применения, помимо указываемых в технических паспортах ОУ, могут получить эти функциональные узлы.

Предполагается, что читатель уже знаком с основами электроники, включая твердотельную электронику, но совсем или почти совсем ничего не знает об операционных усилителях. Поэтому в гл. I дано введение в теорию ОУ. В ней рассмотрены типовые схемные конфигурации ОУ, справочные (проводимые в технических паспортах) характеристики и методы фазовой коррекции.

Несколько в стороне от изложения основ теории ОУ стоит гл. 2, посвященная линейным схемам на основе ОУ. Эти линейные схемы применимы в случаях, когда входные и выходные сигналы существенно синусоидальны, даже если их форма и подвергалась некоторым изменениям в ОУ или связанных с ним цепях.

Глава 3 полностью посвящена специфическому клас су операционных усилителей - управляемым напряжением источникам тока {ИТУН). В продаже имеются различные варианты ИТУН, заменяющие обычные ОУ, и для некоторых применений ИТУН предпочтительнее ОУ.

В гл. 4 рассмотрены нелинейные схемы на основе ОУ. Сюда относятся случаи, когда входные и выходные сигналы существенно несинусоидальны либо когда форма выходного сигнала значительно изменена в результате его прохождения через ОУ. В гл. 4 описаны также схемы, в которых ОУ используются для генерации нелинейных сигналов (прямоугольных колебаний, импульсов, колебаний сложной формы и т. п.).

В гл. 5 подробно рассматриваются схемы измерений параметров ОУ. Экспериментаторам часто приходится работать с ОУ, которые не имеют подробных технических данных. При этом бывает необходимо измерить па-

раметры ОУ в условиях, близких к рабочим. Часто также бывает нужно сравнить фактические параметры покупного ОУ с приведенными в его техническом паспорте. В гл. 5 даны указания по измерению всех параметров ОУ, обычно приводимых в технических паспортах.

Для любого ОУ при выборе значений подключаемых к нему внешних компонентов допустимы некоторые отклонения от строгого расчета. Эти ориентировочные значения можно подставить в основные уравнения ОУ, после чего решение потребует лишь простых арифметических действий.

В Руководстве вначале даны указания по выбору ориентировочных значений внешних компонентов на основе метода проб и ошибок (предполагается, что цели расчета известны и его начальные условия заданы). В книге в основном использован простейший, чисто практический подход к вопросам применения ОУ. Теория затронута лишь в той мере, в какой это необходимо для сознательного применения ОУ.

Значения внешних компонентов, подключаемых к ОУ, зависят от собственных нара.метров ОУ, имеющихся в наличии источников нитания, требуемых технических показателей (усиление по напряжению, устойчивость и т. п.) и рабочих условий (входное и выходное напряжения, амплитуда входного сигнала и т. д.). Собственные параметры ОУ при этом необходимо найти в его техническом паспорте, предоставляе.мом изготовителем, или определить посредством измерений.

Установив параметры ОУ, можно далее определить общие характеристики системы, основываясь на разумных допущениях относительно возможностей ОУ. Часто окончательная схема является результатом многочисленных компромиссов между требуемыми и достижимыми характеристиками. В данном Руководстве .проблема этих компромиссов рассмотрена с упрощенной, практической точки зрения.

Поскольку для чтения книги не требуется углубленных знаний по мате.матике и теории электрических цепей, она идеально подходит инженеру-экспериментатору. С другой стороны, книга хорошо удовлетворяет тре-бования.м тех учебных заведений, в которых основу процесса обучения составляет теория электрических цепей и ощущается большая нужда в практическом подходе к расчетам.

Джон Ленк.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ

ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционный усилитель представляет собой, по существу, д^силитель с непосредственной связью, обладающий весьма высоким усилением и отличающийся тем, что форма его частотной характеристики регулируется посредством введения обратной связи (ОС) Название операционных усилителей первоначально получили высококачественные усилители постоянного тока, при-менявншеся в аналоговых вычислительных устройствах Эти усилители использовались для выполнения математических операций, связанных с аналоговыми вычислениями (суммирование, масштабирование, вычитание, интегрирование и т д )

Распространение недорогих ОУ (особенно в форме интегральных схем) сделало целесообразным применение функционального ]зла ОУ взамен любого низкочастотного усилителя Например, тот же ОУ, 1который используется для выполнения математических операций, можно приспособить для получения как плоской, весьма широкополосной характеристики, требуемой для видеоусилителей, так и характеристики резонансного типа, требуемой для формирующих усилителей различных видов

Наиболее распространенной схемной конфигурацией ОУ является каскадное соединение двух дифференциальных усилителей и соответствующего выходного каскада Каскадно соединенные дифференциальные усилители не только удовлетворяют требованию высокого усиления при непосредственной связи между каскадами, но и обеспечивают значительные преимущества схем на основе ОУ

Операционный усилитель, имеющий дифференциальный вход, гораздо более универсален, чем ОУ с несимметричным входом Эта повышенная универсальность

является следствием больших возможностей выбора конфигурации цепи ОС. Операционный усилитель с несимметричным входом может иметь только инвертирующую обратную связь. Если используется дифференциальный вход, цепь обратной связи может быть как инвертирующей, так и неинвертирующей в зависимости от требований по ослаблению синфазного сигнала, предъявляемых к цепи отрицательной ОС. Фактически применяемый тип обратной связи влияет на характеристики ОУ. Оба типа обратной связи на практике могут использоваться одновременно. Поскольку каждый из типов обратной связи употребляется одинаково часто, ОУ с дифференциальным входом вдвое более универсален, чем ОУ с несимметричным входом.

Технические возможности операционных усилителей и ограничения, налагаемые иа них, четко определяются несколькими простыми уравнениями и правилами, основывающимися на некоторой совокупности критериев, которым должен удовлетворять ОУ. Однако для эффективного использования этих простых соотношений необходимо знать условия, при которых каждое из них применимо с тем, чтобы свести к минимуму ошибки, которые могут появиться в результате неправильных допущений.

В этой главе мы рассмотрим основную схему ОУ (многие схемы иа основе ОУ рассматриваются в гл. 2- 4). При этом сосредоточим внимание на следующих основных вопросах: типовые схемы ОУ; интерпретация данных, приводимых в технических паспортах ОУ; расчетные соотношения для частотной характеристики. Будут рассмотрены также зависимость устойчивости от частоты и методы, используемые для предотвращения неустойчивости ОУ.

Главную часть данных, необходимых для расчета усилительной схемы на основе серийного ОУ, можно получить из его технического паспорта или каталога фирмы-изготовителя. Кроме того, в техническом паспорте серийного ОУ могут описываться некоторые типичные схемы его применения. Однако в большинстве случаев техническим паспортам ОУ (особенно интегральных ОУ) присущи два недостатка. Во-первых, не указывается, каким образом приводп.мые параметры ОУ связаны с расчетными параметрами результирующей схемы. Во-вторых, не описывается все множество применяемых схем, в которых может использоваться основной ОУ.

в любом случае необходимо прежде всего тщательно изучить технический паспорт ОУ. Каждая фирма-изготовитель использует собственную систему параметров, приводимых в техническом паспорте. Не имеет смысла обсуждать здесь все эти системы параметров. Ограничимся тем, что рассмотрим параметры, наиболее часто приводимые в технических паспортах ОУ, и определим связь этих данных с особенностями расчета и использования схем на основе ОУ.

1.1. Схемы операционных усилителей

В большинстве интегральных ОУ используется несколько последовательно соединенных дифференциальных каскадов, обеспечивающих ослабление синфазных с1ггналов и высокое усиление. Для дифференциальных усилителей требуются как положительное, так и отрицательное напряжения питания. Поскольку дифференциальный усилитель имеет два входа, он обеспечивает инверсию фазы, необходимую для осуществления отрицательной ОС, и его .можно включить как по схеме € инверсией входного сигнала, так и по схеме, при которой фаза входного сигнала сохраняется.

В Т1ШИЧНЫХ схемах включения ОУ выход усилителя связывается с его входом через активное или комплексное сопротивление. При этом отрицательная ОС с выхода усилителя, с :помощью которой задается требуемая частотная характеристика, подается на инвертирующий вход. Как в любом усилителе, прохождение сигнала со входа на выход приводит к появлению некоторого фазового сдвига. Этот фазовый сдвиг зависит от частоты сигнала. Когда фазовый сдвиг приближается к 180° (обычно с ростом частоты), он прибавляется к фазовому сдвигу 180°, вносимому петлей обратной связи, или вычитается из него. Таким образом, сигнал в петле обратной связи оказывается в фазе с входным сигналом (или близок к этому) и в усилителе возникают автоколебания. Поэтому рост фазового сдвига с увеличением частоты приводит к ограничению ширины полосы ОУ Это ограничение можно ослабить путе.м добавления фа-зокорректирующей цепочки к внутренним цепям или на вход ОУ (обычно это резистивно-емкостная цепочка, но иногда достаточно одного конденсатора).

Вопросы, связанные с фазовыми сдвигами и частотной характеристикой усиления ОУ, рассматриваются в

П

§ 1.2. До перехода к этим темам необходимо получить общее понятие о принципах работы основных схем ОУ. Начнем с рассмотрения основной схемы дифференциального усилителя и определим ее характеристики.

1.1.1. СХЕМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Дифференциальный усилитель похож на усилитель с эмиттерной связью с той разницей, что оба его выходных сигнала являются результатом воздействия разности сигналов, поступающих на оба входа. В идеальном дифференциальном усилителе выходной сигнал равен нулю, когда сигналы на входах одинаковы. Иначе говоря, выходной сигнал имеется лииль в том случае, когда сигналы на входах усилителя различны по величине.

Сигналы, общие для обоих входов (в частности, сигналы помехи), называются синфазными сигналами. Сио-собность дифференциального усилителя предотвращать преобразование синфазного сигнала в дифференциальный (разностный) сигнал (который приводит к появлению выходного сигнала) характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, обозначаемым или CMRR.

Одна из главных причин использования дифференциальных усилителей в качестве входных каскадов операционных усилителей и заключается в том, что ОУ часто работают в условиях больших высокочастотных помех (наводки от сетей питания, паразитные сигналы от генераторов и т. п.). Провода (даже экранированные), подсоединенные к входным клеммам ОУ, воспринимают эти помехи. Если вход прибора несимметричный, побочные сигналы будут усиливаться вместе с полезным входным сигналом. Но если усилитель имеет дифференциальный вход, оба входных провода будут в каждый .момент времени воспринимать одинаковый сигнал помехи. Поскольку сигналы помехи на обоих входах не отличаются друг от друга, они не будут усиливаться.

На рис. 1.1 изображена основная схема дифференциального усилителя. На синфазные сигналы схема реагирует иначе, чем на сигналы относительно линии общего потенциала ( земли ).

Синфазный сигнал (например, наводка от цепей питания) поступает на обе базы в виде напряжений пере-

менного тока, имеющих одинаковые фазы и одинаковые амплитуды. При этом схема действует так, словно транзисторы включены параллельно и навстречу друг другу, т. е. (по эффекту) действия обоих транзисторов взаимно компенсируются.

Нормальные сигналы подаются на любую из баз (Qi или Q2). База транзистора Q2 является инвертирующим входом, а база Qi - неинвертирующим входом.

* Источник питания

-Инвертирующий

J Выход uf

Г данмог

Выход индертиро-

данного сигнала

-Источнин НеинВертирующий вкод питания

Р|ис 1 1 Принципиальные схемы дифференциального усилителя: а) основная, б) типичная

Если сигнал подается только на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход заземлен, на выходе воспроизводится входной сигнал, но усиленный по амплитуде и инвертированный по фазе. Например, если на входе действует положительный импульс, на выходе появится усиленный отрицательный импульс. Если используется неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, входной сигнал воспроизводится на выходе усиленным но амплитуде и неинвертированным.

Через эмиттерный резистор осуществляется обратная связь на оба транзистора одновременно. Благодаря этому усиление синфазных сигналов значительно уменьшается, а для дифференциальных сигналов такое же уменьшение усиления не вносится.

На рис. 1.2 представлена более близкая к практической реализации схема. Она типична для входных каскадов ОУ и представляет собой каскад дифференциального усилителя (Q2 и Q4), на входах которого включены эмиттерные повторители (Qi и Q5), а в эмиттерной це-

пи - источник стабилизированного тока Q3 Обратите внимание на то, что эмиттерный резистор, имевшийся в схеме рис. 1 1, заменен здесь транзистором Q3 и связанными с ним пассивными компонентами

Применение источника стабилизированного тока (транзистор Qs) типично для большинства дифференциальных усилителей, используемых в ОУ. Точное название каскада, собранного на транзисторе Qs,- источник

ишоянин стабилизированного тона с темпера тс/рной компен опцией

Рис 1 2 Практическая схема дифференциального усилителя

стабилизированного тока с температурной компенсацией. Ток дифференциального усилителя проходит через транзистор Qs ( -/?- -типа), включенный между эмиттерами, транзисторов дифференциального усилителя и шиной отрицательного напряжения питания Vee Если этот ток возрастает, то увеличивается падение напряжения на эмиттериом резисторе источника стабилизированного тока Qs Это увеличенное падение напряжения действует как обратное смещение на переходе база- эмиттер, в результате чего ток через Qs уменьшается Поскольку весь ток дифференциального усилителя идет через Qs, уменьшается и ток, идущий через транзисторы усилителя Если происходит уменьшение тока диффе-