Операционный усилитель и компаратор в аналоговых микросхемах

Микросхемы в общих чертах

Твердотельные электронные компоненты с нелинейными вольт – амперными характеристиками пришли на смену электронным лампам относительно недавно. Но вскоре появились лазеры. Они позволили так обработать кристалл полупроводника, что на нём получалась целая электронная схема. Её сверхмалые размеры обусловили название для неё – «микросхема». Общая основа всех компонентов микросхемы придаёт всем её элементам термальное взаимодействие.

В результате работа самой электронной схемы получается более эффективной, чем при её исполнении на дискретных твердотельных элементах. В результате лазерных технологий появились аналоговые и цифровые микросхемы. Далее речь пойдёт об аналоговых микросхемах. Их главная особенность заключена в обработке входных данных в реальном времени. Возникающая при этом временная задержка между входным и выходным сигналами определят быстродействие микросхемы.

К аналоговым микросхемам относятся:

• компаратор;
• операционный усилитель.

Операционный усилитель

Усиление данных с минимальными искажениями это одно из основных назначений операционного усилителя. Для этого необходимы такие параметры:

• входное сопротивление, не ослабляющее входную амплитуду;
• малый уровень собственных шумов;
• большой коэффициент усиления;
• способность к усилению широкой полосы частот;
• одинаковость усиления данных различной частоты;
• малое значение нелинейных искажений в рабочей полосе частот;
• приемлемая мощность на выходе.

На принципиальных электрических схемах могут быть такие обозначения операционного усилителя:

Увеличение амплитуды на неинвертирующем входе вызывает увеличение амплитуды на выходе. Увеличение амплитуды на инвертирующем входе вызывает уменьшение амплитуды на выходе. Напряжение биполярного питания обычно не превышает 15 вольт для каждого плеча.

На печатной плате операционный усилитель выглядит так:

Корпус из пластика может быть и более длинным и с большим количеством ножек.

Особенностью операционного усилителя является построение его входов по схеме дифференциального каскада:

Вход на биполярных транзисторах (на изображении выше обозначение a)) получается менее шумящим, но с меньшим входным сопротивлением. Для получения большого входного сопротивления применяются полевые транзисторы (на изображении выше обозначение b)).

По своему предназначению операционные усилители можно разделить на такие группы:

• широкого применения;
• высокостабильные (прецизионные);
• широкополосные (быстродействующие);
• экономичные (с минимальной потребляемой мощностью).

Усилительные свойства зависят от глубины отрицательной обратной связи. С этим параметром также связаны искажения сигнала, который обрабатывает операционный усилитель. При неправильном выборе входа и глубины обратной связи могут возникать нежелательные эффекты, например, такие как генерирование не нужных частот.

На основе операционного усилителя и дополнительных элементов можно не только усиливать различные сигналы, но и выполнять математические действия. При этом из него можно получить:

• сумматор;
• интегратор;
• дифференциатор;
• умножитель.

Компаратор

Если в операционном усилителе будет отсутствовать отрицательная обратная связь, он превратится в подобие компаратора. Любой сигнал на его входе будет превращаться в импульсы прямоугольной формы с такой же периодичностью как у входного сигнала. Чем шире полоса частот, которую способен обработать операционный усилитель, тем ближе он к «профессиональному» компаратору. Наилучший компаратор обеспечивает наибольшую величину dU/dt на своём выходе при любой величине входной амплитуды.

Операционные усилители широко применяются в схемах усилителей звуковой частоты, измерительных приборах, источниках питания. Компараторы входят в состав электрических схем для преобразования аналоговых данных в цифровой код.