1.2. Операционный усилитель

Ранее операционные усилители использовались в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения различных математических операций, в частности для интегрирования дифференциальных уравнений. Отсюда и произошло их название. По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем постоянного тока. Он также предназначен для усиления напряжения или мощности выходного сигнала. Итак, операционным усилителем называется дифференциальный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления более тысячи. Типичное значение коэффициента усиления равно сорок тысяч, но бывает- миллион. Поэтому если свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, то свойства и параметры схемы на ОУ определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи. ОУ выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных радиотехнических схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому ОУ вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях схемотехники. Как правило ОУ питаются от биполярного источника питания со средней точкой (общей шиной).

Для определения типа ОУ для конкретного случая применения, достаточно знания их основных характеристик и внутренней структуры ОУ. Далее будут кратко рассмотрены основные параметры ОУ и приведены основные принципы построения схем на базе ОУ с использованием внешних обратных связей.

1.3. Параметры оу

Рассмотрим эквивалентную схему ОУ для низких частот (рис. 1.1).

Входной каскад ОУ выполнен в виде дифференциального усилителя, поэтому ОУ имеет два входа. Все напряжения отсчитываются относительно общего провода – «земли». Разность напряжений на входе - называют дифференциальным входным сигналом, а их полусумму ( + )/2 – синфазным входным сигналом. Реальные ОУ бывают двухкаскадные и трёхкаскадные.

Для обеспечения работы ОУ с положительными и отрицательными входными сигналами следует использовать двухполярное питающее напряжение, которое у совремённых ОУ лежит в пределах В.

В действительности, не существует идеальных ОУ и для оценки их качества, существует ряд технических характеристик усилителей. Рассмотрим основные из них.

Дифференциальный коэффициент усиления А_ОУ

.

Этот параметр имеет конечную величину, которая лежит в пределах 10³…10⁶.

Средний входной ток i_вх – среднеарифметическое значение токов входов усилителя, измеренное при таком U_вх, при котором U_вых = 0. Средний входной ток для ОУ, входы которого реализованы на биполярных транзисторах, составляет 0,01…1 мА, на полевых транзисторах – приблизительно 1 нА.

Разность входных токов i_вх – абсолютное значение разности входных токов, измеренное при U_вых = 0. Этот параметр характеризует асимметрию входного каскада, его значение обычно составляет 20…50% от силы входного тока.

Н апряжение смещения U_см – дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение равно нулю. Максимальное по модулю напряжение смещения для ОУ, входы которого реализованы на биполярных транзисторах, составляет 3…10 мВ, на полевых транзисторах – 30…100 мВ.

Входное сопротивление Z_вх – сопротивление одного из входов ОУ при подключении второго к «земле». Значение этого параметра ОУ обычно составляет 10³…10⁶ Ом и более.

Входное сопротивление для синфазного сигнала Z_сф – отношение приращения синфазного сигнала к приращению среднего тока ОУ. Значение этого параметра ОУ обычно составляет 10…100  .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала М_сф – отношение коэффициента усиления ОУ к коэффициенту передачи синфазного сигнала. На практике для определения коэффициента ослабления синфазного сигнала часто используют логарифмическую меру . Значение этого параметра ОУ обычно составляет 10…100 дБ.

Выходное сопротивление ОУ Z_вых – сопротивление выхода ОУ. Значение этого параметра ОУ обычно составляет 10…1000 Ом.