«Н»: Я слышал о них много интересного. Но вплотную с ними дела пока что не имел. Хотя в «учебно-тренировочном» они и применены, но узлы с ОУ все равно отлаживал Аматор…
«С»: Можешь считать, что это славное время наступило! Немного истории…
Собственно операционный усилитель был изобретен Филбриком в 1938 году. Но этот ламповый, громоздкий прибор был не столько изобретением схемы, сколько разработкой принципа. Филбрик, а позднее Ловелл, показал, что при нечетном числе ламповых каскадов высокого усиления, создающих требуемый фазовый сдвиг между входом и выходом, передаточную функцию схемы можно задать ВСЕГО ДВУМЯ внешними компонентами!
«А»: Говорят, что операционные усилители (или ОУ) — самые распространенные микросхемы аналоговой техники.
«С»: Эти слухи документально правдивы! В 1965 году Видлар разработал первый, пригодный для практического использования ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОУ типа μА709 фирмы FAIRCHILD. Ему были присущи некоторые недостатки, что сдерживало его широкое применение. Перейдя в фирму National, Видлар разработал более совершенный ОУ типа LM301.
Но инженеры фирмы FAIRCHILD разработали новый ОУ, обладающий внутренней частотной коррекцией, в результате чего упростился процесс регулировки сдвига. Поскольку новый ОУ типа μА741 действительно не требовал в большинстве случаев иных компонентов, кроме тех, которые формируют цепь обратной связи, то ОУ именно этого типа почти мгновенно распространился по всему миру! Их производят сотни полупроводниковых фирм СОТНЯМИ МИЛЛИОНОВ штук!
«Н»: Мне не терпится скорее узнать, что же представляет из себя этот самый ОУ, а главное — чем он может быть нам полезен?
«А»: Может он очень многое…
«С»: Уважаемый Аматор! Я попросил бы тебя начать рассказ.
«А»: Благодарю за доверие!.. Операционный усилитель (ОУ) предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Причем свойства и параметры схем на ОУ определяются элементами цепи обратной связи. ОУ представляют из себя УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (или УПТ), имеющие нулевое значение выходного напряжения, если входные напряжения равны нулю.
«Н»: Что значит «входные напряжения»? Разве у ОУ не один вход?
«А»: Да, представь себе, ОУ имеют ДВА ВХОДА! Я сейчас изображу это на рис. 17.1.
Вход, обозначенный как (+) называется НЕИНВЕРТИРУЮЩИМ, а вход обозначенный символом (-) — ИНВЕРТИРУЮЩИМ. Для обеспечения возможности работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется двуполярное питающее напряжение. ОУ характеризуются очень большим (десятки — сотни тысяч) коэффициентом усиления, а также высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Поскольку ОУ ранее широко использовались в аналоговых вычислительных и моделирующих устройствах, выполняя операции суммирования, вычитания, интегрирования и дифференцирования, то оттуда и произошло их название.
«С»: Верно! Хотя будем помнить, что ОУ — прибор реальный. Собственный (иначе дифференциальный) коэффициент усиления ОУ действительно имеет величину в пределах от десяти тысяч до миллиона! Но это есть УСИЛЕНИЕ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ!
Затем, чтобы сделать выходное напряжение реального ОУ равным нулю, следует скорректировать напряжение смешения нуля, которое для разных типов ОУ лежит в пределах от десятков микровольт до пяти милливольт.
«А»: Известны две основные схемы усилителей, построенных на основе ОУ. Это ИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель и НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель.
«Н»: А что означают эти названия?
«А»: Для начала рассмотрим схему НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО усилителя, то есть такого, который НЕ МЕНЯЕТ ФАЗУ входного сигнала! Вот он представлен на рис. 17.1, б. Коэффициент усиления К = Uвыx/Uвx в данном случае запишется так:
Кстати, если RN = 0, a R1 — стремится к бесконечности, то К = 1.
«Н»: То есть в этом случае получается ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ?
И потом, если я правильно понял, для того, чтобы получить коэффициент усиления К = 100, то мне достаточно всего лишь взять отношение RN/R1 = 99?
«А»: Это так!
«Н»: Но, в таком случае, почему бы не получить от этой же схемы значительно больший коэффициент усиления? Например 10000? Или 20000? Или даже все 50000!? К этому есть какие-то ограничения?
«А»: В идеальных ОУ — никаких. В реальных — безусловно!
«Н»: И в чем они заключаются?
«С»: Среди параметров ОУ имеется и такой, как ПОЛОСА ЧАСТОТ Так вот имеется некоторая частота f1, при которой реальный коэффициент усиления ОУ падает до ЕДИНИЦЫ, независимо оттого каким он был ранее!
Например, для упоминаемого ранее ОУ типа (IA741 (его отечественный аналог К140УД7) частота f1, равна 0,8 МГц. Это означает, что для К = 100 частотная полоса равна всего 8 кГц! Поэтому для расширения частотной полосы следует снижать К!
«А»: А каков выход из этой ситуации?
«С»: Только один — использовать ОУ, у которых f1 составляет десятки мегагерц! Это, скажем, такие ОУ как К544УД2 (f1 = 15 МГц); К154УД4 (f1 = 30 МГц) и т. д. В настоящее время в США, Японии и Европе имеются ОУ у которых f1 достигает сотен МГц — единиц ГГц!
Полезно знать и о таком параметре ОУ, как СКОРОСТЬ ОТКЛИКА. При подаче на вход ОУ скачка большого сигнала, усилитель по выходу откликается на это с некоторой конечной скоростью, определяемой внутренними токами и емкостями схемы. Скорость отклика для К140УД7 равна 0,67 вольт/микросекунду.
В нашем справочнике мы приведем и этот, и иные параметры для тех ОУ, которые найдут применение в нашей разработке.
«А»: Теперь я хочу представить вниманию собравшихся схему ИНВЕРТИРУЮЩЕГО усилителя, то есть такого, который на своем выходе МЕНЯЕТ ФАЗУ входного сигнала. Для этой схемы справедливо соотношение
«С»: А что можно сказать, сравнивая между собой входные сопротивления этих двух разновидностей усилителей?
«А»: У инвертирующего усилителя Rвх чуть меньше, чем R1. А вот у неинвертирующего — Rвх в сотни раз выше!
«С»: Ну что же… Для первого знакомства этого вполне достаточно. Тем более, что существуют многие десятки типов ОУ, входные каскады которых реализованы на согласованных биполярных транзисторах. Применяются также ОУ, входные каскады которых построены на СУПЕР-БЕТА транзисторах. Вот, например, К140УД14.
Есть высокопрецизионные ОУ, которые реализованы целиком на супер-бетах! Например, К140УД17. Имеется большая номенклатура ОУ, во входных каскадах которых применены согласованные полевые транзисторы. Это: К140УД22; К140УД23; К544УД1; К574УД1/2/3; К1407УДЗ и т. д.
«Н»: А вот специальные малошумящие ОУ имеются?
«С»: Не без этого…Но мы еще вернемся к рассмотрению конкретных ОУ, когда будем рассматривать конкретные же узлы. А сейчас считаю необходимым упомянуть и о других аналоговых микросхемах. Вот, например, об аналоговых перемножителях.
В аналоговом ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ выходное напряжение пропорционально произведению входных. Эти микросхемы имеют еще и второе название — БАЛАНСНЫЙ МОДУЛЯТОР. Во всех перемножителях Uвых = KХУ, где: K — масштабный коэффициент; X и У — напряжения, подаваемые на входы.
«Н»: А какую функцию аналоговые перемножители могут выполнять в радиоприемнике?
