1.2 Операционный усилитель

Структурная схема (рис. 3-а) операционного усилителя (ОУ) состоит из входного дифференциального каскада, за ним следует каскад преобразования симметричного сигнала в несимметричный сигнал, т.е. сигнал относительно ОП. Кроме этого ОУ содержит выходной каскад с общим коллектором (эмиттерный повторитель), который служит для придания ОУ малого выходного сопротивления. ОУ должен обладать весьма большим коэффициентом усиления (до 100 дБ), широкой полосой пропускания (от постоянного тока до 100 МГц и больше), высоким (до тысяч мегаОм) входным и низким (десятки Ом) выходным сопротивлениями. Сопоставьте эти требования с параметрами ОУ из табл. 1. Малое значение выходного сопротивления даёт возможность избежать затруднений при согласовании выхода ОУ с входным сопротивлением какого-либо последующего устройства или с сопротивлением нагрузки.

а) б)

Рисунок 3 – Структурная схема ОУ (а), условное обозначение ОУ (б)

Условное обозначение ОУ и назначение его основных выводов показаны на рис. 3-б. Вход 1 называется неинвертирующим, изменения выходного сигнала ОУ совпадают по фазе с изменениями сигнала на этом входе (при увеличении сигнала на неинвертирующем входе выходной сигнал тоже увеличивается и, наоборот, при уменьшении сигнала на нём выходной сигнал уменьшается). Вход 2 (на схеме обозначен кружочком) называют инвертирующим, так как изменения выходного сигнала ОУ противоположны по фазе изменениям сигнала на этом входе.

Для получения выходного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности ОУ питают от двух разнополярных источников напряжения (на схеме +Еп и -Еп). Это даёт также возможность получить нулевой уровень выходного напряжения при отсутствии входного сигнала.

На входы ОУ можно подавать сигналы от одного источника, как показано на рис. 1–а, можно подать сигнал источника и на один вход при заземлённом другом входе, как показано на рис. 1–б, можно подать сигналы от двух разных источников относительно ОП. В любом случае входным напряжением ОУ будет являться разность входных сигналов

Uвх = Uвх1 - Uвх2.

Основные параметры ОУ:

1. Кu – коэффициент усиления напряжения, определяется как отношение приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения.

2. Δf – верхняя граница полосы пропускания, она соответствует частоте входного сигнала, при которой К_u уменьшается на 3дБ ( в 1, 41 раза) по сравнению с его значением на низких частотах.

3. Rвх – входное сопротивление, это отношение приращения входного напряжения Uвх к приращению активной составляющей входного тока при заданной частоте сигнала.

4. Rсф.вх – входное сопротивление для синфазных входных напряжений, это отношение приращения синфазных входных напряжений к приращению активной составляющей среднего входного тока.

5. К_ООС – коэффициент ослабления синфазного сигнала.

6. Uсм – напряжение смещения, это небольшое постоянное напряжение, подаваемое на вход реальных ОУ, чтобы получить нулевое выходное напряжение. Причиной того, что при нулевом входном сигнале выходное напряжение не равно нулю, является неидеальность дифференциального каскада ОУ.

7. Iвх – средний входной ток, это среднее арифметическое значение токов, протекающих через входы ОУ при подаче напряжения смещения Uсм.

8. Uвых. max – максимальное выходное напряжение, это наибольшее неискажённое напряжение на заданном сопротивлении нагрузки при определённом входном напряжении.

9. Iвых. max – максимальный выходной ток, безопасный для усилителя.

10. tуст – время установления выходного напряжения при воздействии на вход ступенчатого входного сигнала. В таблице 1 приведены значения основных параметров ОУ широкого потребления типа К574УД1Б.

Таблица 1.

Кu	Δf	Rвх	Rсф.вх	КООС	Uсм	Iвх	Uвых. max	Iвых. max	tуст
50000	10мГц	10мОм	40мОм	80дБ	25мВ	0,5нА	10В	3мА	50нс

Для примера на рис. 4 дана схема одного их первых, довольно простых ОУ, это созданная в 1963 году интегральная схема μА701, её российский аналог К401УД1. На транзисторах Т1 и Т2 выполнен первый дифференциальный каскад. Суммарный эмиттерный ток этих транзисторов стабилизирован при помощи транзистора Т3, его база соединена с базой транзистора Т6, коллекторный переход Т6 замкнут накоротко. В итоге Т6 включён как диод и служит для термостабилизации. Постоянный ток, протекающий по цепи: ОП → R5 → Б6 → Э6 → R7→ -Еп, создаёт термостабильное напряжение, приложенное к базам транзисторов Т3 и Т8.

Усиленный полный симметричный сигнал, выделяющийся между коллекторов транзисторов Т1 и Т2, поступает на вход второго - преобразовательного каскада, выполненного на транзисторах Т4 и Т5. Переход от симметричного выхода ДУ к одиночному выходу осуществляется

следующим образом. Транзистор Т4 включён по схеме с общим коллектором, база транзистора Т4 соединена с коллектором Т2, поэтому на эмиттерном сопротивлении R5 повторяется коллекторное напряжение Т2. Транзистор Т5 по базе управляется напряжением коллектора Т1, в то же время на его эмиттере действует напряжение с выхода Т4, повторяющее коллекторное напряэение Т1. Таким образом, к эмиттерно–базовому переходу Т5

Рисунок 4 – Электрическая схема ОУ типа μА701

подключено полное выходное симметричное напряжение от ДУ, так что транзистор Т5 управляется двумя сигналами одновременно.* Напряжение симметричного выхода ДУ, усиленное транзистором Т5, присутствует на его коллекторе уже в виде несимметричного сигнала относительно общего

* Управление транзистором одновременно по базе и по эмиттеру известно давно и используется не только в ОУ, например в смесителе супергетеродинного приёмника на базу подают принимаемый сигнал, а в эмиттер – сигнал гетеродина.

провода. С коллектора транзистора Т5 сигнал поступает на вход следующего

каскада, который выполнен на транзисторе Т7, включённом по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Цепь эмиттера Т7 состоит из последовательного соединения резистора R9, транзистора Т8 и резисторов R10, R12. Транзистор Т8 является стабилизатором тока для эмиттерного повторителя Т7.

Напряжение, подаваемое на вход эмиттерного повторителя на транзисторе Т7, не равно нулю даже при отсутствии сигнала на входе ОУ. Выходное же напряжение ОУ в этом случае, как уже говорилось, должно быть равно нулю. Смещение уровня постоянного напряжения, подаваемого на базу оконечного эмиттерного повторителя Т9 происходит за счёт падения напряжения на резисторе R9, через который течёт стабилизированный коллекторный ток транзистора Т8. Упоминавшийся ранее транзистор Т6 выполняет функцию термостабилизирующего диода для обоих стабилизаторов тока – Т3 и Т8.

В большинстве случаев ОУ используют с внешней отрицательной обратной связью с выхода на инвертирующий вход. Для обеспечения устойчивой работы, т.е. для исключения возможности самовозбуждения ОУ, охваченного обратной связью, необходимо, чтобы произведение коэффициента усиления на коэффициент передачи цепи обратной связи было меньше единицы на частоте, при которой фазовый сдвиг в ОУ превышает 180^о. Выводы А, В и С предназначены для подключения внешних корректирующих цепей, обеспечивающих соблюдение этого условия.

Действие корректирующих цепей, состоящих из резисторов и конденсаторов, заключается в снижении коэффициента усиления ОУ или в уменьшении фазового сдвига в нём. Так, включение между выводом А и выводом –Еп цепи из последовательно соединённых резистора и конденсатора обеспечивает частотно-зависимое шунтирование нагрузки транзистора Т5, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ОУ. Действие же конденсатора, включённого между выводами В и С, приводит к уменьшению фазового сдвига сигнала в ОУ. У современных ОУ цепи коррекции обычно размещаются внутри корпуса интегральной схемы.