Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

А если одинаковый потенциал подать сразу на оба входа? Потенциал выхода не изменится. Как и полагается усилителю с дифференциальным входом, операционный усилитель реагирует только на разность потенциалов между входами и хорошо подавляет одинаковые сигналы на входах или, как говорят специалисты, синфазную составляющую входного сигнала.

При интегральной технологии нет нужды экономить на транзисторах. Если уж процесс изготовления отработан, то практически не имеет значения, сколько транзисторов расположено на пластинке полупроводника. Интегральная микросхема изготавливается с помощью станков-автоматов в едином технологическом процессе. Размеры самих транзисторов составляют микрометры, а размер кристалла — миллиметры. Поэтому и десять тысяч транзисторов для одной микросхемы — не предел. Это принесло большую пользу инженерам-проектировщикам микросхем и позволило воплотить в жизнь множество интересных и полезных схемотехнических решений. Например, при нагреве параметры одного транзистора изменяются, и его коллекторный ток возрастает. Значит, при нагреве надо уменьшить напряжение смещения транзистора. Это делает другой транзистор, включенный в цепь смещения. Более того, включим пару транзисторов по дифференциальной схеме. Тогда, несмотря на то, что ток обоих транзисторов при нагреве возрастает, разность токов, которая и определяет полезный выходной сигнал, практически не меняется. Благодаря этому операционный усилитель оказывается термостабильным. Температурный «дрейф» его не превосходит нескольких десятков микровольт на градус, тогда как у усилителя на дискретных элементах он в десятки раз больше. Хотя термостабильность и достигается ценой применения в микросхеме десятков транзисторов, при интегральной технологии это никого не волнует.

А вот начертить внутреннюю принципиальную схему современного интегрального усилителя оказывается непросто — по сложности она приближается к схеме, скажем, обычного телевизора! Но теперь уже нет необходимости интересоваться внутренним устройством усилителя — вполне достаточно знать его внешние параметры. А на схемах усилитель изображают просто треугольником, особо не задумываясь над тем, что у него внутри!

Рассмотрим на простых примерах, как можно использовать высокие собственные параметры операционных усилителей. Пример первый: нужно усилить напряжение звуковой частоты. Ранее мы научились строить усилители мощности на комплементарных транзисторах, а усилитель напряжения оставили «на потом». Сейчас это «потом» наступило, и вот перед вами простейшая схема усилителя напряжения. Источником сигнала служит микрофон, подключенный к неинвертирующему входу. Источниками могут быть и термопара, и детектор радиоприемника, и многое другое. Цепочка из двух резисторов R 1и R 2образует цепь обратной связи. Зачем она нужна?

Польза от нее огромная. Собственный коэффициент усиления операционного усилителя очень велик, что на практике никогда не нужно. Но он позволяет ввести глубокую отрицательную обратную связь, а она резко снижает искажения усилителя и выравнивает его частотную характеристику. В результате усилитель вносит пренебрежимо малые искажения в очень широкой полосе частот, что как нельзя лучше соответствует современным требованиям к усилителям. Посмотрим на схему.

Усилитель звуковых частот.

Малейшая разность потенциалов между входами изменяет потенциал выхода. Последний передается снова на инвертирующий вход через делитель напряжения R 1R 2. Пусть, например, входной потенциал на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем. Потенциал выхода немедленно увеличится и повысит через делитель потенциал инвертирующего входа. Если же на инвертирующем входе потенциал возрастет, то потенциал выхода уменьшится. Значит, напряжение на инвертирующем входе почти точно соответствует входному, а выходное напряжение в R 2/ R 1раз больше. Что же получилось? Коэффициент усиления приведенного усилителя определяется только отношением сопротивлений двух резисторов и не зависит от свойств самого операционного усилителя. Лишь бы он был близок к «идеальному», т. е. обладал как можно большим усилением. Следовательно, коэффициент усиления при наличии обратной связи очень стабилен и не подвержен изменениям при нагреве, колебаниях питающих напряжений и воздействии подобных факторов.

На операционном усилителе можно выполнить (или, как говорят, «собрать») много других устройств: генераторы напряжений прямоугольной или треугольной формы, интегратор, дифференциатор, сумматор сигналов и т. д.

Посмотрите, например, на схему сумматора.

Сумматор.

Все входы через одинаковые резисторы Rприсоединены к инвертирующему входу операционного усилителя. Сюда же подан сигнал обратной связи через резистор с сопротивлением KR. Значит, это устройство не только суммирует сигналы, но и усиливает их по напряжению в Краз. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим проводом или, как говорят, он «заземлен».

Но вернемся ко входам усилителя. Если на заземленном неинвертирующем входе нет сигнала, то его практически не будет и на инвертирующем. Куда он исчезнет? Скомпенсируется сигналом обратной связи. Например, напряжение сигнала в 1 мВ на любом из входов 1–3 вызовет появление напряжения К мВ на выходе. А на инвертирующем входе усилителя произойдет почти полная взаимная компенсация этих напряжений. Мы говорим «почти», имея в виду тот факт, что собственный коэффициент усиления операционного усилителя все-таки не бесконечен. Инвертирующий вход усилителя в этой схеме часто называют виртуальной или искусственной «землей», подчеркивая отсутствие на нем напряжения сигнала. Но если так, то источники сигнала оказываются независимыми и не мешают друг другу — сигнал одного источника никогда не попадет в другой. Получается полная «развязка» источников.

Еще одно применение операционного усилителя в качестве компаратора, т. е. устройства для сравнения между собой двух различных величин, например напряжений. Пусть одно из этих напряжений подается на один вход усилителя, второе — на другой.

Компаратор.

В этом устройстве нет отрицательной обратной связи и высокий собственный коэффициент усиления используется полностью. Если напряжение U 1хотя бы немного (на несколько микровольт) больше напряжения U 2, то потенциал на выходе устройства принимает максимально возможное значение, несколько меньшее напряжения питания. В этом случае говорят, что усилитель «вошел в насыщение». Если же напряжение U 1, меньше U 2, то потенциал на выходе принимает такое же, но отрицательное значение. Следовательно, компаратор имеет «релейную» характеристику и выдаст на выходе только два дискретных значения. Их можно назвать единица (1) и нуль (0) как это принято в цифровой технике. Да и сам компаратор чаще всего используют в устройствах для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, сокращенно АЦП, что означает аналого-цифровой преобразователь. Ну а раз уж мы заговорили о цифровой технике, то следует рассказать о ней подробнее. Многие другие аналоговые устройства: преобразователи частоты, модуляторы, детекторы, генераторы и т. д. мы разберем на конкретных примерах в следующих главах. Итак…