Операционные усилители для всех

Операционные усилители 

для всех

Bruce Carter and Ron Mancine

OP AMPS FOR EVERYONE 

СЕРИЯ
СХЕМОТЕХНИКА

Брюс Картер и Рон Манчини 

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
ДЛЯ ВСЕХ

Перевод с английского 
к. т. н. А. Н. Рабодзея

Москва 
ДМК Пресс, Додэка, 2023

2-е издание, электронное

УДК 621.375.024
ББК 32.846

Издание подготовлено при участии российского представительства компании Texas Instruments. 
На русскоязычном сайте www.ti.com/ru вы можете получить информацию о компании TI, 
а также заказать бесплатные образцы микросхем.
Телефон горячей линии технической поддержки +7-495-981-07-01.

Картер, Брюс.
Операционные усилители для всех / Б. Картер, Р. Манчини ; пер. с англ. А.Н. Рабодзея. — 2-е 
изд., эл. — 1 файл pdf : 529 с. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2023. — (Схемотехника). — 
Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-564-0

Книга написана группой сотрудников компании Texas Instruments Incorporated — одного из ведущих 
мировых изготовителей операционных усилителей (ОУ).
Изложенный материал включает как основы электротехники и вводные понятия об ОУ, так и рассмотрение различных областей применения ОУ, начиная от элементарных схем инвертирующих и неинвертирующих усилителей и сумматоров и до разнообразных генераторов, активных фильтров (включая простые 
практические методы их расчётов), интерфейсов для АЦП и ЦАП и пр. В книге используется минимум математики, зато много внимания уделено практическим аспектам использования ОУ, включая методы компенсации АЧХ для обеспечения стабильности ОУ, шумы ОУ, особенности применения ОУ в схемах с однополярным 
питанием и в низковольтных схемах, конструирование печатных плат с ОУ и наиболее распространённые 
ошибки применения ОУ. Большой интерес представляют главы, в которых рассмотрены ОУ с обратной связью по току, сначала самостоятельно, а затем в сопоставлении с ОУ с ОС по напряжению, а также полностью 
дифференциальные ОУ. В приложении приведена полезная коллекция схем, иллюстрирующая возможности, 
реализуемые при использовании ОУ.
Книга предназначена для широкого круга специалистов: от студентов, начинающих инженеров и техников в области аналоговой электроники до опытных разработчиков.

УДК 621.375.024 
ББК 32.846

Электронное издание на основе печатного издания: Операционные усилители для всех / Б. Картер, Р. Манчини ; пер. 
с англ. А. Н. Рабодзея. — Москва : ДМК Пресс, Додэка-XXI, 2016. — 528 с. — (Схемотехника). — ISBN 978-5-97060-197-6. — 
Текст : непосредственный.

Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства копирования или сохране-ния информации, без письменного разрешения издательства.

Книга «Операционные усилители для всех» Брюса Картера и Рона Манчини подготовлена и издана по договору 
с Elsevier Inc., 30 Corporate Drive, 4th Floor, Burlington, MA 01803, USA.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель 
вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-564-0
© Elsevier Inc., 2009 
© Макет, Издательский дом «Додэка-XXI», 2011
© Издание, ДМК Пресс, 2016

Содержание  ∎  V

Содержание .........................................................................................................................................................V
Важные замечания .......................................................................................................................................1
Посвящение .........................................................................................................................................................3
Предисловие .......................................................................................................................................................4

Сведения об авторах первого издания ..................................................................................................4
Предисловие к третьему изданию ..................................................................................................5

Глава 1
МЕСТО ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В МИРЕ ЭЛЕКТРОНИКИ ...........................6

1.1.  Суть проблемы .............................................................................................................................................6
1.2.  Решение ............................................................................................................................................................6
1.3.  Рождение операционных усилителей ...........................................................................................7
1.4.  Эра электровакуумных ламп ..............................................................................................................8
1.5.  Эра транзисторов .......................................................................................................................................9
1.6.  Эра интегральных микросхем ............................................................................................................9
Литература ...........................................................................................................................................................11

Глава 2
ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ................................................................12

2.1.  Введение .........................................................................................................................................................12
2.2.  Физические законы ................................................................................................................................12
2.3.  Правило расчёта делителя напряжения ...................................................................................14
2.4.  Правило расчёта делителя тока ......................................................................................................15
2.5.  Теорема Тевенина .....................................................................................................................................16
2.6.  Суперпозиция .............................................................................................................................................18
2.7.  Расчёт транзисторной схемы, работающей в ключевом режиме ...............................20
2.8.  Транзисторный усилитель ................................................................................................................21

СОДЕРЖАНИЕ

VI  ∎  Содержание

Глава 3
ИДЕАЛЬНЫЙ ОУ И УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЕГО РАБОТУ ...........................23

3.1.  Понятие идеального ОУ ........................................................................................................................23
3.2.  Неинвертирующий усилитель .........................................................................................................24
3.3.  Инвертирующий усилитель ..............................................................................................................25
3.4.  Сумматор........................................................................................................................................................26
3.5.  Дифференциальный усилитель ......................................................................................................27
3.6.  Схемы со сложными цепями ОС .......................................................................................................29
3.7.  Видеоусилители ........................................................................................................................................30
3.8.  Конденсаторы .............................................................................................................................................31
3.9.  Почему идеальные ОУ разрушили бы Вселенную ................................................................32
3.10.  Заключение ................................................................................................................................................33

Глава 4
КОНСТРУИРОВАНИЕ СХЕМ НА ОУ С ОДНОПОЛЯРНЫМ ПИТАНИЕМ ...................35

4.1.  Одно напряжение питания или два? ............................................................................................35
4.2.  Анализ схем ..................................................................................................................................................37
4.3.  Системы уравнений ................................................................................................................................41
4.3.1.  Случай 1. VOUT = +mVIN + b ........................................................................................................42
4.3.2.  Случай 2. VOUT = +mVIN – b ........................................................................................................46
4.3.3.  Случай 3. VOUT = –mVIN + b ........................................................................................................48
4.3.4.  Случай 4. VOUT = –mVIN – b ........................................................................................................51
4.4.  Резюме .............................................................................................................................................................53

Глава 5
ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ НА ОУ ...............................................................................................................55

5.1.  Многообразие схем применения ОУ ..............................................................................................55
5.2.  Неинвертирующий аттенюатор без смещения нуля .........................................................56
5.3.  Неинвертирующий аттенюатор с положительным смещением нуля ....................56
5.4.  Неинвертирующий аттенюатор с отрицательным смещением нуля ......................56
5.5.  Инвертирующий аттенюатор без смещения нуля ..............................................................57
5.6.  Инвертирующий аттенюатор с положительным смещением нуля ..........................57
5.7.  Инвертирующий аттенюатор с отрицательным смещением нуля............................58
5.8.  Заключение ..................................................................................................................................................58

Глава 6
ТЕОРИЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ...............................59

6.1.  Зачем изучать теорию обратной связи? .....................................................................................59

Содержание  ∎  VII

6.2.  Структурные схемы и математический анализ их работы ...........................................59
6.3.  Уравнения обратной связи и стабильность .............................................................................63
6.4.  Анализ схем с ОС с помощью диаграмм Боде ......................................................................... 64
6.5.  Диаграммы Боде и стабильность усилителей с ОС .............................................................69
6.6.  Уравнения второго порядка и предупреждение выбросов и звона ..........................72
Литература ...........................................................................................................................................................73

Глава 7
НЕИДЕАЛЬНЫЕ ОУ И КАК С НИМИ ОБРАЩАТЬСЯ .............................................................74

7.1.  Введение .........................................................................................................................................................74
7.2.  Обзор канонических уравнений ......................................................................................................75
7.3.  Неинвертирующий усилитель на ОУ ............................................................................................77
7.4.  Инвертирующий усилитель на ОУ .................................................................................................79
7.5.  Дифференциальный усилитель на ОУ .........................................................................................80

Глава 8
МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ОУ С ОС ПО НАПРЯЖЕНИЮ ...................................................82

8.1.  Введение .........................................................................................................................................................82
8.2.  Встроенная компенсация ....................................................................................................................83
8.3.  Внешняя компенсация, стабильность и характеристики ............................................. 88
8.4.  Компенсация с помощью доминантного полюса ..................................................................89
8.5.  Компенсация путём изменения коэффициента усиления .............................................92
8.6.  Компенсация с опережением по фазе ..........................................................................................93
8.7.  Компенсация влияния паразитных ёмкостей ........................................................................96
8.8.  Компенсация с опережением и задержкой ...............................................................................98
8.9.  Сравнение различных методов компенсации......................................................................100
8.10.  Заключение .............................................................................................................................................101

Глава 9
ПРИМЕНЕНИЕ ОУ С ОС ПО ТОКУ .....................................................................................................102

9.1.  Введение ......................................................................................................................................................102
9.2.  Модель ОУ с ОС по току ......................................................................................................................102
9.3.  Уравнения, описывающие стабильность ...............................................................................103
9.4.  Неинвертирующий усилитель на ОУ с ОС по току ............................................................104
9.5.  Инвертирующий усилитель на ОУ с ОС по току .................................................................106
9.6.  Анализ стабильности..........................................................................................................................107
9.7.  Выбор резистора в цепи ОС ..............................................................................................................110
9.8.  Стабильность и входная ёмкость ................................................................................................112

VIII  ∎  Содержание

9.9.  Стабильность и ёмкость в цепи ОС .............................................................................................113
9.19.  Компенсация влияния CF и CG ......................................................................................................114
9.11.  Резюме ........................................................................................................................................................114

Глава 10
СРАВНЕНИЕ ОУ С ОС ПО НАПРЯЖЕНИЮ И ПО ТОКУ ......................................................116

10.1.  Введение ...................................................................................................................................................116
10.2.  Точность ...................................................................................................................................................116
10.3.  Диапазон рабочих частот ...............................................................................................................118
10.4.  Стабильность .........................................................................................................................................120
10.5.  Импеданс ..................................................................................................................................................122
10.6.  Сравнение уравнений .......................................................................................................................123

Глава 11
ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОУ ...............................................................................125

11.1.  Введение ...................................................................................................................................................125
11.2.  Что значит полностью дифференциальный ОУ? ............................................................125
11.3.  Как используется второй выход? ..............................................................................................126
11.4.  Полностью дифференциальный каскад ...............................................................................126
11.5.  Преобразование несимметричных сигналов в дифференциальные..................127
11.6.  Работа с несимметричными входными сигналами .......................................................128
11.7.  Новые функции .....................................................................................................................................129
11.8.  Использование вывода VOCM в качестве входа управления смещением 
выходов .....................................................................................................................................................130
11.9.  Инструментальные усилители ..................................................................................................131
11.10.  Схемы фильтров ................................................................................................................................132
11.10.1.  Однополюсный фильтр ...................................................................................................132
11.10.2.  Двухполюсные фильтры ................................................................................................132
11.10.3.  Фильтры с несколькими цепями ОС ........................................................................134
11.10.4.  Биквадратный фильтр.....................................................................................................136

Глава 12
ШУМЫ В ОУ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА .............................................................................................137

12.1.  Введение ...................................................................................................................................................137
12.2.  Определения ..........................................................................................................................................137
12.2.1.  Среднеквадратичное и пиковое значения напряжения шумов ...............137
12.2.2.  Уровень собственных шумов .........................................................................................138
12.2.3.  Отношение сигнал/шум ...................................................................................................139
12.2.4.  Суммирование шумов от различных источников ............................................139

Содержание  ∎  IX

12.2.5.  Единицы измерения............................................................................................................139
12.3.  Типы шумов ...........................................................................................................................................140
12.3.1.  Дробовые шумы ..................................................................................................................... 140
12.3.2.  Тепловые шумы ...................................................................................................................... 142
12.3.3.  Фликкер-шум ...........................................................................................................................144
12.3.4.  Импульсные шумы ...............................................................................................................144
12.3.5.  Шумы лавинного пробоя .................................................................................................. 145
12.4.  Цвета шумов ...........................................................................................................................................145
12.4.1.  Белый шум ................................................................................................................................. 146
12.4.2.  Розовый шум .............................................................................................................................147
12.4.3.  Красный и коричневый шумы........................................................................................147
12.5.  Шумы операционных усилителей ............................................................................................ 147
12.5.1.  Частота излома шумовой характеристики и суммарные шумы...............147
12.5.2.  Частота излома шумовой характеристики ........................................................... 148
12.5.3.  Шумовая модель ОУ ............................................................................................................. 149
12.5.4.  Шумы в инвертирующем усилителе на ОУ ...........................................................150
12.5.5.  Шумы в неинвертирующем усилителе на ОУ ......................................................152
12.5.6.  Шумы в дифференциальном усилителе на ОУ ....................................................152
12.5.7.  Резюме ..........................................................................................................................................153
12.6.  Реальные схемы ...................................................................................................................................153
Литература ........................................................................................................................................................157

Глава 13
ПАРАМЕТРЫ ОУ ...........................................................................................................................................158

13.1.  Введение ...................................................................................................................................................158
13.2.  Температурный коэффициент входного тока ..................................................................161
13.3.  Температурный коэффициент напряжения смещения ..............................................162
13.4.  Погрешность дифференциального коэффициента усиления .................................162
13.5.  Запас устойчивости по коэффициенту усиления ...........................................................162
13.6.  Коэффициент усиления с разомкнутой цепью ОС .........................................................163
13.7.  Коэффициент усиления при большом сигнале ................................................................164
13.8.  Дифференциальный коэффициент усиления при большом сигнале ................164
13.9.  Частота единичного усиления ....................................................................................................165
13.10.  Ширина полосы пропускания по заданному уровню ................................................165
13.11.  Полоса частот ......................................................................................................................................165
13.12  Входная ёмкость ................................................................................................................................166
13.13.  Входная ёмкость для синфазных сигналов .....................................................................166
13.14.  Дифференциальная входная ёмкость .................................................................................167
13.15.  Ёмкость нагрузки ............................................................................................................................167
13.16.  Коэффициент влияния напряжения питания ...............................................................167
13.17.  Коэффициент ослабления синфазного сигнала ............................................................168

X  ∎  Содержание

13.18.  Частота ....................................................................................................................................................168
13.19.  Произведение коэффициента усиления на полосу частот .....................................168
13.20.  Ток потребления в режиме блокировки ............................................................................169
13.21.  Ток потребления ...............................................................................................................................169
13.22.  Диапазон входных токов .............................................................................................................169
13.23.  Входной ток .........................................................................................................................................169
13.24.  Разность входных токов ..............................................................................................................170
13.25.  Спектральная плотность приведённого ко входу шумового тока....................170
13.26.  Выходной ток ......................................................................................................................................171
13.27.  Выходной ток низкого уровня .................................................................................................171
13.28.  Выходной ток короткого замыкания ..................................................................................171
13.29.  Рассеиваемая мощность ...............................................................................................................171
13.30.  Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания ..............................171
13.31.  Тепловое сопротивление кристалл — окружающая среда ...................................172
13.32.  Тепловое сопротивление кристалл — корпус ............................................................... 174
13.33.  Входное сопротивление ............................................................................................................... 174
13.34.  Дифференциальное входное сопротивление ................................................................. 174
13.35.  Сопротивление нагрузки ............................................................................................................ 174
13.36.  Сопротивление Rnull ........................................................................................................................ 174
13.37.  Выходное сопротивление ............................................................................................................175
13.38.  Сопротивление источника сигналов ...................................................................................175
13.39.  Скорость нарастания напряжения ........................................................................................175
13.40.  Рабочая температура .....................................................................................................................177
13.41.   Время выключения (переход в режим блокировки) .................................................177
13.42.  Время включения (выход из режима блокировки) .....................................................177
13.43.  Время спада .........................................................................................................................................177
13.44.  Коэффициент нелинейных искажений ..............................................................................177
13.45.  Коэффициент нелинейных искажений плюс шумы ...................................................178
13.46.  Максимально допустимая температура кристалла ...................................................180
13.47.  Время нарастания ............................................................................................................................180
13.48.  Время установления ......................................................................................................................180
13.49.  Температура хранения..................................................................................................................181
13.50.  Напряжение питания ....................................................................................................................181
13.51.  Диапазон входных напряжений ..............................................................................................181
13.52.  Входное синфазное напряжение ............................................................................................181
13.53.  Диапазон входных синфазных напряжений ...................................................................182
13.54.  Входное дифференциальное напряжение ........................................................................182
13.55.  Диапазон входных дифференциальных напряжений ..............................................183
13.56.  Напряжение включения (при выходе из режима блокировки) ...........................183
13.57.  Напряжение выключения (при переходе в режим блокировки).........................183
13.58.  Входное напряжение......................................................................................................................183