Операционные усилители

Устройство и параметры ОУ

Операционный усилитель – это многоцелевой дифференциальный усилитель постоянного тока. Он состоит из трех каскадов, показанных на рис. 19.1.

Рис. 19.1. Структура операционного усилителя

Входной каскад – это балансный усилитель на полевых или биполярных транзисторах. Выходной каскад – двухтактный усилитель класса АВ. Второй каскад может быть балансным или небалансным. Иногда в операционном усилителе (ОУ) присутствует еще один, обычно, небалансный усилительный каскад.

Все операционные усилители разделяются на пять групп:

– быстродействующие;

– высокоточные;

– общего применения;

– микромощные;

– мощные.

ОУ принято характеризовать четырьмя группами параметров.

1) Входные параметры:

– напряжение смещения – постоянное напряжению на входе, при котором выходное равно нулю;

– ток смещения – постоянный ток входа, измеренный при отсутствии входного напряжения;

– температурный дрейф напряжения смещения –показывает на сколько изменяется напряжение смещения при изменении температуры на один градус;

– входное сопротивление для дифференциального сигнала;

– входное сопротивление для синфазного сигнала;

– максимальное входное напряжение.

2) Параметры передачи:

– коэффициент усиления постоянного дифференциального напряжения на холостом ходе ;

– коэффициент ослабления синфазного сигнала;

– граничная частота полосы пропускания, равная частоте, на которой коэффициент усиления в раз меньше величины ;

– частота единичного усиления.

3) Выходные параметры:

– выходное сопротивление;

– максимальное выходное напряжение;

– максимальный выходной ток.

4) Параметры питания:

– напряжение питания;

– ток, потребляемый усилителем.

Эквивалентная схема ОУ

Простейшая эквивалентная схема ОУ показана на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Эквивалентная схема ОУ

ОУ имеет два входа – инвертирующий (отмечен кружочком) и неинвертирующий. Входное сопротивление ОУ может достигать десятков и сотен ГОм. Выходное сопротивление лежит в пределах от единиц Ом до нескольких КОм. Коэффициент передачи усилителя не меньше от 1000 и выше.

Решающие усилители

Дифференциальный усилитель

Решающие усилители предназначены для выполнения простых математических операций: суммирования, дифференцирования и т.д. Обычно они строятся на основе ОУ. Рассмотрим дифференциальный усилитель, который показан на рис. 20.1.

Коэффициент передачи инвертирующего входа можно определить следующим образом. Пусть . Выходное напряжение, обусловленное напряжением на инвертирующем входе 1 равно

. (20.1)

где – коэффициент передачи ОУ, знак «-» показывает, что вход инвертирующий.

Рис. 20.1. Дифференциальный решающий усилитель

В свою очередь, напряжение на первом входе определяется выражением

. (20.2)

Подставив выражение (20.2) в (20.1) получим соотношение между входным и выходным напряжением

. (20.3)

При большом коэффициенте усиления можно записать

. (20.4)

Аналогичным образом можно получить, что

. (20.5)

Тогда выходное напряжение на выходе усилителя равно

. (20.6)

Таким образом дифференциальный усилитель вычисляет разность напряжений, умноженных на коэффициенты, определяемые сопротивлениями схемы.

При большем числе входных сигналов коэффициент передачи вычисляется аналогично.

Интегратор

Наиболее точное интегрирование осуществляется в инвертирующем интеграторе, схема которого показана на рис. 20.2.

Рис. 20.2. Интегрирующий решающий усилитель

Выражение для коэффициента передачи усилителя можно получить аналогично дифференциальному усилителю для инвертирующего входа

, (20.7)

где – сопротивление конденсатора, которое можно представить в виде

. (20.8)

Из уравнений (20.7), (20.8) получаем

. (20.9)

Дифференциатор

Рис. 20.3. Дифференцирующий решающий усилитель

Дифференцирующий усилитель, вычисляющий производную, показан на рис. 20.3. Связь между входным и выходным напряжением такого усилителя задается выражением

. (20.10)

Усилители-ограничители

Рис. 20.4 Усилитель-ограничитель со стабилитронами

Рис. 20.5 Усилитель-ограничитель с диодами

Если необходимо ограничить выходное напряжение, то применяют схемы со стабилитронами (рис. 20.4) или с диодами (рис. 20.5).

Рассмотрим схему со стабилитронами. Так как ОУ обладает большим коэффициентом усиления, то разность напряжений между его входами близка к нулю. Поэтому по второму закону Кирхгофа можно записать

. (20.11)

Пусть на входе положительное напряжение. Если отрицательное напряжение на выходе по модулю превысит сумму напряжений пробоя и открывания стабилитрона, то стабилитрон V1 перейдет в режим электрического пробоя, а стабилитрон V2 в прямое включение. В результате резистор шунтируется и напряжение , а значит и перестает возрастать. Аналогично при отрицательном входном напряжении если положительное выходное напряжение возрастет до некоторого предела, то стабилитрон V2 перейдет в режим электрического пробоя, а стабилитрон V1 – в режим прямого включения. В результате выходное напряжение также перестанет увеличиваться.

Аналогичным образом работает усилитель-ограничитель на диодах. Если выходное напряжение превысит значение , то открывается диод V1. Сопротивление обратной связи уменьшается, коэффициент усиления уменьшается и напряжение перестает расти. Если выходное напряжение становится меньше , то открывается диод V1 и напряжение на выходе перестает понижаться.