Микроэлектронные средства для контроля и защиты - Операционные усилители

АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ
Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Первоначально он предназначался для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.
Развитие микроэлектроники позволило создать множество универсальных интегральных операционных усилителей низкой стоимости. Надежность интегральных ОУ приближается к надежности отдельно взятого транзистора. Это способствовало широкому применению ОУ для построения различных аналоговых и аналого-цифровых функциональных узлов в различных системах автоматики.
Проектирование многих устройств автоматики можно производить на основе идеального представления ОУ.
Идеальным операционным усилителем является усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, входное сопротивление которого также равно бесконечности. Такой усилитель должен пропускать сигналы всех частот от нуля до , а его выходное сопротивление должно равняться нулю. ОУ не должен иметь статических, шумовых и дрейфовых ошибок, его выходное напряжение должно быть равно нулю при нулевом входном. Это особенно существенно для устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики, которые должны длительно работать без вмешательства обслуживающего персонала.
Выпускаемые промышленностью ОУ строятся на основе усилительных каскадов прямого усиления и в качестве первого (входного) каскада содержат один из видов дифференциального усилителя (ДУ), построенного по схеме параллельного баланса с равноправными по электрическим параметрам входами. Кроме того используются еще один или два каскада усиления напряжения, выходной каскад усиления тока (эмиттерный повторитель) и цепи согласования каскадов между собой.
Подробные сведения по принципиальным схемам ОУ содержатся во многих литературных источниках [2,3].
Параметры и характеристики реальных усилителей достаточно высоки, но все же отличаются от идеальных. Они и эквивалентная схема ОУ и представляют основной интерес для пользователей.

Одна из простейших эквивалентных схем усилителя для низких частот показана на рис. 1.1,а. Усилитель условно часто обозначается треугольником, одна из вершин которого соответствует выходу схемы. ОУ имеет два основных входа. Первый вход, отмеченный знаком минус или кружком на стороне треугольника, называют инвертирующим (И-входом), а второй, отмеченный знаком плюс - неинвертирующим (Н-входом). Зависимости выходного напряжения от каждого из выходных напряжений показаны на рис. 1.1,б. Все напряжения измеряются относительно земли, которая образуется, как общая точка источников питания + Еп и -Еп. Напряжение между входами (UBХ=UН - UИ) является дифференциальном входным сигналом, а UСИНФ , приложенное к обоим входам, - синфазным входным сигналом.

Рис. 1.1
Качество усилителя полностью описывается более 30 параметрами. Основные из них отображены на эквивалентной схеме (см. рис. 1.1,а)
Коэффициент усиления (К У) равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению. Известные ОУ имеют
Различают два вида входных сопротивлений ОУ: входное сопротивление между входами (RBX), равное отношению приращения входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока при заданном значении частоты сигнала (дифференциальное входное сопротивление), и входное сопротивление синфазному сигналу ( RСИНФ ) равное сопротивлению утечки между каждым входом и землей. Последнее сопротивление определяется как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего входного тока усилителя. Входное сопротивление колеблется от 105 до 109 Ом. Значения RСИНФ может превышать 100 МОм.
Выходное сопротивление ( RВЫХ ), равное отношению приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала, составляет величину от нескольких Ом до нескольких сотен Ом.
Напряжение смещения (UCM) - напряжение, которое необходимо приложить между входами, чтобы выходное напряжение стало равным нулю при нулевом значении полезного сигнала. Максимальное по модулю значение UCM для биполярных ОУ составляет 3-10 мВ, а для ОУ с униполярным входным каскадом UCM обычно на порядок больше, 30-100 мВ.
Входные токи ОУ в действительности не равны нулю. Через входные зажимы ОУ проходит небольшой постоянный ток смещения транзисторов. При рассмотрении влияния входных токов смещения их обычно представляют в виде источников тока, подключенных, как показано на эквивалентной схеме, к входам усилителя. Ток смещения И-входа не равен, в общем, току смещения Н-входа. Поэтому изготовители приводят в паспорте на ОУ среднеарифметическое значение тока (средний входной ток)
Здесь- входные токи инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ. Средний входной ток усилителей с биполярными транзисторами на входе лежит в диапазоне 0.01 - 1 мкА. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе этот ток может составлять значения 1 нА и меньше.
Разность входных токов ( ΔΙвх ) иногда называют входным током сдвига. Он представляет собой абсолютное значение разности входных токов
, измеренных в момент равенства нулю выходного напряжения. Если бы входные токибыли всегда равны, их влияние на UВЫХ можно было бы устранить. Однако чаще всегоне равны.
Учитывая, что ΔΙΒΧ составляет все-таки незначительную величину от ΙВХ (≈25%), уменьшение его влияния достигают выравниванием сопротивлений внешних цепей по отношению к инвертирующему и неинвертирующему входам.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОССФ) - это отношение коэффициентов усиления для полезного (дифференциального) и синфазного сигналов. Он может быть определен как отношение, где ∆UСИНФ - изменение напряжения смещения (на выходе ОУ), обусловленное появлением UСИНФ. Выражается КОССФ в децибелах и достигает значений 60 -100 дБ.
Коэффициент влияния нестабильности источника питания (Кп) - отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений Е. Этот коэффициент может находиться в диапазоне 2·10-5 - 2·10-4, что соответствует 20-200 мкВ/В.
Напряжение UCM и токи ΙВХ, ΔΙВХ зависят от температуры. Основное влияние на погрешность выполнения операции ОУ оказывают температурные дрейфы UCM и ΔΙВХ, которые также приводятся в паспорте. Причем дрейф UCM в зависимости от типов усилителей составляет 5-100 мкВ/Κ. Разработчикам аппаратуры стоит больше обращать внимание на то, что в ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах разность входных токов, как и сами эти токи, уменьшается с увеличением температуры, а в ОУ с входными каскадами на униполярных транзисторах - возрастает. От температуры зависит и коэффициент усиления КУ. В полном диапазоне допустимых температур окружающей среды КУ изменяется обычно не более чем в 3-5 раз.
Частота единичного усиления f1 - частота, на которой коэффициент усиления уменьшается до единицы. Этот параметр позволяет оценить динамические свойства ОУ. f1 находится в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц. Из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения на частоте f1 возможна передача сигнала только малой амплитуды.
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (v) - наибольшая скорость изменения выходного напряжения усилителя при подаче на его вход импульса прямоугольной формы амплитудой более 0,1 В. Для типовых ОУ v=0,3-50 В/мкс.
Частотная коррекция ОУ бывает внутренней и внешней и предотвращает автоколебания усилителя на высоких частотах при охвате его цепью отрицательной обратной связи. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления ОУ на той частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре  равен 360° или уменьшают сдвиг фаз на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы. Из усилителей имеющих внутреннюю коррекцию следует отметить К140УД6, К140УД7, К140УД8, К140УД21, К140УД22, К140УД23, К140УД24, К544УД1. Внутренняя коррекция облегчает применение усилителей, хотя в некоторых случаях не дает возможности полнее использовать динамические свойства ОУ.
Нагрузочные способности ОУ принято оценивать допустимым сопротивлением нагрузки RH или предельным выходным током Iвыхмaкс, равным максимальному значению выходного тока, не вызывающего необратимых изменений в усилителе при оговоренном выходном напряжении. Этот ток для различных ОУ лежит в пределах от 1 до 30 мА и более. В справочных данных имеется несоответствие этих параметров. Поэтому в таблицах для некоторых усилителей приведено и то и другое, чтобы полнее оценить их перегрузочные способности. Кроме того, большая часть современных усилителей имеет защиту от короткого замыкания, что исключает выход ОУ из строя.
Сравнивая параметры современных ОУ с параметрами идеального ОУ можно придти к выводу, что многие практические задачи построения устройств противоаварийной автоматики могут быть успешно решены.