Операционные усилители

В таблице классификации операционный усилитель (ОУ) относится к усилителям постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Он имеет дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (рисунок 38).

Н

Один вход ОУ (U_вх.н, «+») называется неинвертирующим а второй (U_вх.и, «−») – инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешней ООС.

азвание «операционный усилитель» связано с первоначальным их применением для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие). В настоящее время ОУ применяются в устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения. Идеальный ОУ имеет K_U, стремящийся к бесконечности (у реальных ОУ он обычно превышает 10⁵), обладает большим входным (10⁶ Ом) и малым выходным (доли ом) сопротивлениями.

Рисунок 38– Условное изображение

операционного усилителя

инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешней ООС.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, который используется в качестве выходного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ЭП), который обеспечивает нагрузочную способность всей схемы. Так как = 1, то необходимое значение обеспечивается подключением дополнительных каскадов между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества используемых каскадов ОУ подразделяются на 2- и 3-каскадные. В 3-каскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в 2-каскадных – с динамическими нагрузками.

Для иллюстрации рассмотрим принципиальную схему простейшего

3-каскадного ОУ (микросхема 140УД1). Питание схемы (рисунок 39) осуществляется от двух источников + E_К1 и – E_К2 с одинаковым напряжением, имеющих общую точку, модуль E_К1 равен модулю E_К2. Входной каскад выполнен на транзисторах VТ₁, VT₂ по дифференциальной схеме и связан со вторым каскадом (транзисторы VТ₅, VТ₆).

Рисунок 39 – Принципиальная схема 3-каскадного ОУ

Резистор в цепи коллектора VТ₅ отсутствует, так как выходной сигнал 2-го каскада снимается только с коллектора VТ₆. R₅ = R_Э стабилизирует суммарный ток I_Э VТ₅ и VТ₆. Таким образом, падение напряжения на R₅ от протекания тока I_Э обоих транзисторов повышает потенциал их эмиттеров, что необходимо для

непосредственной связи баз транзисторов с выходами предыдущего каскада.

Третий усилительный каскад выполнен на VТ₇, VТ₈ и связан с VТ₉. Если 1-й и 2-й каскады были включены по дифференциальной схеме, то 3-й каскад представляет собой входной делитель ЭП.

Управление транзистором VТ₇ производится по цепи базы выходным сигналом 2-го каскада, а управление транзистором VТ₈ – по цепи эмиттера напряжением на R₁₂, которое создается при протекании через этот резистор I_Э VТ₉. VТ₈ входит в контур «+» обратной связи, позволяющий обеспечить высокий коэффициент усиления 3-го каскада. Совместное действие VТ₇, VТ₈ направлено либо на увеличение, либо на уменьшение (в зависимости от сигнала на входе VТ₆) входного напряжения эмиттерного повторителя, т. е. потенциала Е_К2 базы VТ₉ относительно шины. Повышение напряжения на базе VТ₉ обусловлено уменьшением сопротивления постоянному току VТ₇ и увеличением сопротивления VТ₈ и наоборот.