Операционные усилители – виды, обозначения, корпуса усилителей
Немного истории
Сначала несколько слов о том, что такое операционные усилители (ОУ). Само название говорит о том, что с их помощью выполняются какие-то операции. Может быть это хирургический инструмент? Вовсе нет. Этот инструмент предназначен для выполнения различных математических операций.
Первоначально операционные усилители использовались в аналоговых вычислительных машинах (АВМ), в которых информация представлялась непрерывными сигналами в виде токов и напряжений.
Хотя в настоящее время АВМ ушли в прошлое, аналоговые сигналы, получаемые с различных датчиков (например, давление жидкости или угол поворота педали газа), используются до сих пор очень широко. И от этого просто некуда деться.
Чаще всего аналоговые сигналы преобразовываются в цифровые с помощью, например, АЦП, а дальнейшая их обработка производится в цифровом виде с помощью микропроцессров или микроконтроллеров.
Операционные усилители на электронных лампах
В первых, еще ламповых АВМ, математические операции над аналоговыми данными выполнялись с помощью специальных схем, которые и получили название операционные усилители. Естественно, что первые операционные усилители были ламповыми. Их внешний вид и схема показаны на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Конструкция операционного усилителя понятна из рисунка: вся схема была собрана в одном корпусе и просто вставлялась в панельку с помощью октального цоколя как одна лампа. Элементной базой, как следует из рисунка 2, является пара ламп – двойных триодов. Как будто всего 4 транзистора.
Транзисторные операционные усилители
После появления на свет транзисторов операционные усилители стали выполняться в виде плат с разъемами, и такое положение дел продолжалось до тех пор, пока не были изобретены интегральные микросхемы. Это несколько улучшило общее положение дел, лишило схему всех «ламповых» недостатков: большая потребляемая мощность и низкая надежность ввиду ограниченного срока службы ламп. Но и транзисторные операционные усилители имели свои недостатки. В первую очередь их габариты были достаточно велики, хотелось бы поменьше.
Операционные усилители в интегральном исполнении
Первый интегральный операционный усилитель µA702 разработал в 1963 году сотрудник компании Fairchild Semiconductor Роберт Видлар. Прибор содержал всего лишь 9 транзисторов, но стоил целых 300 долларов, что позволяло применять его только в разработках для военной промышленности. Но в целом это был огромный шаг вперед, одно из величайших открытий в электронике.
Уже в 1965 году Роберт Видлар сконструировал операционный усилитель µA709, который стоил в производстве намного дешевле, всего 10 долларов. И даже такая цена не позволяла применять его для бытовой техники, но была вполне приемлема для промышленной автоматики и т.п. задач.
В 1967 году Видлар перешел на работу в National Semiconductor, где под его руководством разработали LM101, имевшую лучшие характеристики. В 1968 году компания Fairchild выпустила µA741, имевший внутреннюю частотную коррекцию, что сделало его работу еще более стабильной – операционный усилитель с внутренней коррекцией не склонны к самовозбуждению.
Как уже было сказано основное назначение операционного усилителя – выполнение математических операций над аналоговыми переменными, представленными напряжениями (суммирование, интегрирование, умножение и т.д.). Но впоследствии выяснилось, что ОУ очень универсальный элемент, и его применение просто безгранично: усиление сигналов, активные частотные фильтры, генераторы, компараторы и многое другое.
Сейчас операционные усилители выпускаются в таких количествах, что без их применения обойтись просто невозможно. К тому же цена этих электронных изделий в некоторых случаях очень низкая, а возможности весьма высоки. В одном корпусе размещается уже сразу несколько операционных усилителей, микропотребление энергии и очень низкий уровень собственных шумов приближают реальные усилители к идеальным. Все это позволяет применять операционные усилители даже в профессиональной звуковой аппаратуре (многоканальные микшеры), делает их просто незаменимыми.
Конечно, история появления и развития операционных усилителей намного длиннее и, наверно, интересней, но пока ограничимся этими сведениями.
Условные графические обозначения операционных усилителей
Или рассказ о треугольниках и прямоугольниках
Первые шаги в радиолюбительство начинаются, как правило, с использования дискретных транзисторов, которые, часто с некоторой долей иронии или, наоборот, уважения, бывалые специалисты называют просто «рассыпухой». На таких транзисторах можно сделать практически что угодно, но зачастую это занятие требует достаточно высокой квалификации исполнителя.
Простой пример: настройка высококачественного УМЗЧ может стоить жизни нескольким комплектам мощных дорогостоящих транзисторов. Чтобы этого не случилось, надо иметь достаточный опыт постройки подобных устройств, пользоваться различными защитными устройствами в цепях питания и нагрузки. В простейшем случае лампами накаливания соответствующего напряжения и мощности.
Гораздо быстрее конечных результатов на почве «усилителестроения» можно достичь, если использовать УНЧ в интегральном исполнении. Просто добавили несколько резисторов, конденсаторов, блок питания, темброблок, и, пожалуйста, перед вами готовый усилитель. Но здесь речь пойдет об усилителях операционных, их применении в радиолюбительских конструкциях.
Наверно, никто не будет в домашних условиях собирать АВМ и всякие сумматоры – диффиренциаторы. А очень широкое применение ОУ в усилителях, микшерах, да и просто при ремонте разной электронной техники потребует хотя бы начальных знаний об операционных усилителях. О чем и будет написано в этой статье.
Как обозначаются операционные усилители на электрических схемах
Как и все радиодетали операционных усилителей обозначаются на схемах при помощи УГО – условных графических обозначений. Обозначения могут быть весьма разнообразны, хотя, в общем, обозначают одно и то же. При первом знакомстве со схемами на операционных усилителях возникают сомнения, вдруг что-то сделаю не так, вдруг все просто сгорит.
Если не брать во внимание внутреннее устройство операционных усилителей, кстати, достаточно сложное на первый взгляд (уж таковы традиции интегральной электроники), внешне операционники выглядят просто и логично. Дальнейшее описание коснется как раз внешних выводов и их использования в различных схемах.
Современный операционный усилитель имеет, как правило, два входа, один выход и два вывода для подключения питания. Это минимальный «джентльменский» набор. Кроме упомянутых выводов могут присутствовать выводы для подключения элементов частотной коррекции, выводы для балансировки (подстройки нуля на выходе). Различные УГО для операционных усилителей показаны на рисунке 1. Рассмотрим их насколько возможно подробно.
Рисунок 3.
На рисунке 1а и 1б корпуса операционного усилителя показаны в виде равнобедренного треугольника. Да, это не более, чем корпус микросхмы. С левой стороны располагаются 2 входа: инвертирующий (обозначается знаком «минус» или маленьким кружочком) и неинвертирующий (обозначается знаком «плюс» или рисуется просто без кружочка). Замечание: если схема нарисована по «правилам хорошего тона», то все входы находятся слева, а выходы справа рассматриваемого элемента. Вспомогательные выводы, например, коррекции, питания, могут располагаться как угодно.
Вот, как раз в правом углу треугольника находится вывод с надписью «Выход», а сверху и снизу показаны выводы для присоединения питания, чаще всего двух полярного. Чтобы не перегружать, не затуманивать схему выводы, питания чаще всего, не показываются. Их присоединение указывается просто в примечаниях к схеме.
Корпус операционного усилителя может изображаться в виде прямоугольника, как показано на рисунке 1в. Все остальные части этого рисунка те же, что и случае треугольного корпуса.
Корпуса операционных усилителей
Современная полупроводниковая технология достигла таких совершенств, что число полупроводниковых структур в одном корпусе просто не поддается учету. Достаточно вспомнить современные микропроцессоры, количество транзисторов в которых исчисляется миллиардами штук. Поэтому разместить в одном корпусе несколько операционных усилителей, содержащих всего-то несколько десятков транзисторов дело даже очень простое.
Рисунок 4.
Расположение выводов операционных усилителей различного типа в одних и тех же корпусах одинаково, что позволяет очень просто их заменять, особенно в случаях, когда операционные усилители установлены в разъемах – панельках. Но, в то же время, операционные усилители одного типа может быть изготовлен в совершенно разных корпусах. Это разнообразие требуется в условиях массового и крупносерийного производства в основном для удобства разработки печатных плат и всей конструкции электронного устройства.
На рисунке 3 показаны операционные усилители, выполненные в корпусах DIP8, DIP14.
Рисунок 5.
На рисунке 4 показан операционный усилитель типа 4558 в корпусе типа SIP-8 – однорядный восьмивыводный корпус.
Рисунок 6.
В настоящее время все большую популярность завоевывают операционные усилители в корпусах для поверхностного монтажа – SMD.
Рисунок 7.
В следующей статье будет рассмотрен идеальный операционный усилитель, его входы и выходы и некоторые основные свойства, которые пригодятся в процессе самостоятельной разработки и изготовления (читай просто пайки на досуге) различных схем «для души». И уж совсем хорошо, если процесс пайки будет заменен беспаечными макетными платами, о которых уже статья уже была.
Продолжение статьи: Идеальный операционный усилитель
Борис Аладышкин
