напряжение сдвига, обусловленное неидентичностью параметров входных каскадов.
На практике, если эти явления критичны (а это далеко не всегда так), стоит подобрать более дорогой, но и более точный прецизионный ОУ. К рядовым «ширпотребовским» типам ОУ относятся старинные, но до сих пор производящиеся 140УД7 (μА741), 140УД20 (dial — сдвоенный, т. е. содержащий два ОУ в одном корпусе), LM321 (single — одинарный), LM358 (также сдвоенный), LM324 (quad — счетверенный). При этом обычные усилители (LM321, LM324, LM358) имеют широчайший диапазон напряжений питания (до ±16 В). Существует их модификация, выпускающаяся фирмой MAXIM/DALLAS, с добавлением буквы X к названию (LMX321), у которой напряжение питания снижено всего до 7 В (суммарно), однако выходное напряжение имеет полный размах (Rail-toRail) — фактически это совсем другие ОУ. Такие нюансы нередки, потому встретив знакомую микросхему, но с незнакомым индексом, обязательно следует проверить ее характеристики по документации на сайте производителя, иначе можно крупно «пролететь».
К прецизионным ОУ относятся, например, надежные и удобные МАХ478 (сдвоенный) и МАХ479 (счетверенный), также отличающиеся исключительно широким диапазоном допустимых напряжений питания: от ±2,2 до ±18 В. Они имеют высокие показатели по точности, но работают очень медленно и не допускают полного размаха напряжений по выходу. В настоящее время эти микросхемы не выпускаются (хотя их еще можно спокойно приобрести), причем адекватной замены у фирмы MAXIM нет, и лучше употреблять аналогичные изделия других фирм, например, серию AD820—AD824 фирмы Analog Devices, которая существенно быстрее и к тому же имеет полный Rail-to-Rail размах напряжения по выходу. По цоколевке они (как и большинство других ОУ) полностью взаимозаменяемы при условии идентичности корпуса. МАХ4236 — пример прецизионного усилителя, который работает при напряжениях питания до 5,5 В, зато с полным Rail-to-Rail размахом напряжения по выходу, что хорошо стыкуется с цифровыми схемами, сейчас таких ОУ выпускается очень много. Особо высокими характеристиками, в том числе по быстродействию, отличаются относительно дорогие ОУ с цифровой стабилизацией: отечественный 149УД24, а также МАХ420, МАХ430, ICL7652 и др.
Дифференциальные усилители
Кроме всего прочего, ОУ имеют замечательное свойство подавлять синфазный входной сигнал. Синфазный сигнал, в отличие от обычного, дифференциального — это напряжение, которое действует на оба входа сразу (см. также главу 3). Это свойство приводит не только к возможности выделять полезный сигнал на фоне значительных наводок, но и, что иногда еще важнее, к подавлению нестабильности источника питания, поскольку изменение напряжения питания равносильно действию синфазного входного сигнала.
На рис. 6.8, а показана схема простейшего дифференциального усилителя. Делитель R3, R4 по неинвертирующему входу служит сразу двум целям: во-первых, он выравнивает входные сопротивления по входам (нетрудно показать, что т. к. потенциалы самих входов ОУ равны, то будут равны и входные сопротивления, естественно, при указанном на схеме равенстве соответствующих резисторов), во-вторых, что еще важнее, он делит входной сигнал в таком соотношении, чтобы коэффициенты усиления по инвертирующему и неинвертирущему входам сравнялись между собой. Именно при этом условии коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) будет максимальным. Для того чтобы получить действительно высокий КОСС (ослабление синфазного сигнала ~10 000 раз, т. е. на 80 дБ, о децибелах см. далее), согласование сопротивлений должно быть как можно более точным, и в такой схеме следует применять прецизионные резисторы из ряда с погрешностью, не превышающей, по крайней мере, 0,1 %, причем лучше всего их еще и дополнительно подобрать по строгому равенству номиналов. Тогда вы действительно сможете без проблем выделить полезный сигнал в 1 мВ на фоне наводки в 1 В.
Рис. 6.8.Схемы дифференциальных усилителей:
а — простой дифференциальный усилитель; б — классический инструментальный усилитель; в — упрощенный инструментальный усилитель
Понятно, что заниматься подобными подборками при массовом производстве не с руки, да и входным сопротивлением наш простейший дифференциальный усилитель отличается не в лучшую сторону, потому на практике эту схему применяют редко. Ко всему прочему, в ней еще и почти невозможно изменять коэффициент усиления в процессе работы, если вдруг это понадобится, т. к. для этого потребуется менять одновременно два резистора, а куда Денется в таком случае наше согласование?
Для того чтобы увеличить входное сопротивление, целесообразно добавить еще пару ОУ по каждому входу, включенных повторителями, как показано на рис. 6.8, б. Причем к увеличению габаритов и стоимости схемы эго практически не приводит, т. к. специально для таких целей выпускают упоминавшиеся ранее сдвоенные и счетверенные ОУ в одном корпусе, почти не отличающиеся по цене от одинарных.
Так мы добьемся увеличения входного сопротивления по обеим входам почти до бесконечности, а что с КОСС? Если просто добавить повторители, то с ним ничего не произойдет и точное согласование резисторов по-прежнему будет необходимо. Выход из этой ситуации очень простой: достаточно установить еще один резистор (на схеме рис. 6.8, б он обозначен как R1). В результате получаем классическую схему т. н. инструментального усилителя. Здесь также целесообразны прецизионные резисторы (в целях обеспечения температурной стабильности), но подбора уже не требуется. Коэффициент усиления такого усилителя определяется по следующей формуле (при указанных на схеме соотношениях резисторов):
Изменять его, не нарушая ничего в работе усилителя, можно одним резистором R1. Кстати, резисторы компенсации тока смещения здесь не нужны, т. к. эти токи по общим для системы инвертирующему и неинвертирующему входам взаимно компенсируют влияние друг друга, тем более, если ОУ расположены на одном кристалле.
Если мы люди не гордые, и большой КОСС нам не требуется (когда помеха мала по сравнению с полезным сигналом), то можно упростить схему инструментального усилителя. За исключением КОСС, схема на рис. 6.8, в обладает всеми достоинствами классической, но содержит на один ОУ меньше (значит, можно использовать сдвоенный, а не счетверенный чип), да и резисторов там поменьше. При указанных на схеме соотношениях резисторов выходное напряжение такого усилителя будет равно
Заметки на полях
В подобных усилителях решительно не рекомендуется подгонять ноль выходного напряжения, нарушая баланс резисторов, например R4/R5 и R6/R7 в схеме рис. 6.8, б. В то же время иногда установка нуля необходима, т. к. начальное смещение выхода может быть, например, отрицательным (и не только из-за сдвига рабочей точки самих ОУ, но и по причине начального смещения у источника сигнала), и в случае, если весь диапазон изменения выходного напряжения должен располагаться в положительной области (скажем, при подаче его куда-нибудь на вход аналого-цифрового преобразователя, не «понимающего» отрицательных напряжений), вы можете потерять заметный «кусок» диапазона. Иногда для установки нуля рекомендуют воспользоваться корректирующими выводами одного из входных ОУ, но для стабильности схемы это еще хуже, чем корректировка внешними резисторами, тем более что в сдвоенных и счетверенных вариантах эти выводы обычно отсутствуют, просто вследствие элементарной нехватки контактов корпуса. В действительности установку нуля лучше осуществлять со стороны входов, подмешивая к одному из входных напряжений через развязывающий резистор небольшое напряжение коррекции, как это делается в схемах сумматоров, к которым мы сейчас перейдем.
Другие распространенные схемы на ОУ
Как уже упоминалось, операционные усилители получили свое название от того, что они применялись для моделирования математических операций, которое выполнялось т. н. аналоговыми вычислительными машинами. Одной из основных схем в них был аналоговый сумматор, который представляет собой просто усилитель (инвертирующий или нет), на вход которого подается несколько напряжений через отдельные резисторы. При этом напряжения будут суммироваться с весами, пропорциональными значениям этих резисторов.
Другой необходимой составляющей таких машин был интегратор на ОУ, схема которого приведена на рис. 6.9, а. Этот интегратор, в отличие от интегрирующей RC-цепочки из главы 2, действительно осуществляет операцию интегрирования в корректной форме. Например, если подать на его вход постоянное напряжение (отрицательное), то напряжение на выходе будет линейно возрастать (интеграл от константы есть прямая линия), с наклоном, равным Uвх/RC (вольт в секунду). Входной сигнал можно подать и на неинвертирующий вход — получим неинвертирующий интегратор. Можно также объединить интегратор с сумматором, тогда интегрирование будет осуществляться по сумме входных напряжений с соответствующими весовыми коэффициентами. Интеграторы, как и сумматоры, используются и по сей день в различных схемах (см. главу 10).
Рис. 6.9. Распространенные схемы на ОУ:
а — интегратор; б — источник тока
Еще одна очень полезная схема (рис. 6.9, б) представляет собой почти идеальный источник тока с выходным сопротивлением, равным бесконечности. Здесь возможно однополярное питание, как и показано на схеме. Ток можно задавать как соотношением резисторов делителя R1, R2, так и резистором R. Обратите внимание, что отрицательная обратная связь подается на неинвертирующий выход ОУ, т. к. здесь использован полевой транзистор с /z-каналом и стабилизируется его стоковое напряжение, которое есть инверсия напряжения на затворе. Если взять транзистор с р-каналом, то его в этой схеме нужно подключить наоборот: стоком в направлении нагрузки, а обратную связь, снимаемую с истока, подавать на инвертирующий вход. Для высокой стабильности тока в этой схеме требуется столь же высокая стабильность напряжения питания, поэтому если важна абсолютная величина тока, то схему (и делитель R1/R2, и резистор R, а не только делитель!) приходится питать от отдельного прецизионного стабилизатора. К счастью, стабильность в абсолютном понимании требуется не всегда, часто необходима стабильность некоей величины лишь относитель