Шпоры к экзамену / 28

1.  Операционный усилитель. Основные свойства. Условное обозначение на схемах. Передаточные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам. Входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления. Граничная частота. Понятие об идеальном ОУ.

Операционный усилитель (ОУ).

Устройство ОУ.

Операционный усилитель может состоять из множества транзисторов. В качестве примера на рис.9.1 приведен пример схемы ОУ на биполярных транзисторах. В современных ИС используются и полевые транзисторы. Обычно в состав ОУ включен дифференциальный УПТ (по параллельно-балансной схеме), которые рассмотрены ранее.  

 Рис.9.1. Пример принципиальной схемы операционного усилителя.

          В этой схеме полюсы 1 и 2 -  симметричный (т. е. без заземления) вход усилителя, 3- заземляемый полюс, 3 и 4 –выход усилителя, 5,6,7 –полюсы для подключения дополнительных цепей коррекции и управления. Источники питания включаются между полюсами 3,+U_п1 и 3,-U_п2. V1-V10 – транзисторы. Все элементы ОУ объединены конструктивно в интегральную микросхему (ИС), т.е. они изготавливаются в едином цикле по специальной технологии.        С входных полюсов 1 и 2 сигнал попадает на базы транзисторов V1и V2. При этом потенциалы баз транзисторов изменяются в противофазе. Т.е., если потенциал базы V1 повышается, то потенциал базы V2 понижается. По этой причине потенциалы коллекторов транзисторов так же изменяются в противофазе (для V1 понижается, для V2 –повышается). Далее разность потенциалов коллекторов усиливается в многокаскадном УПТ и в выходном каскаде на транзисторе V10 (эмиттерный повторитель).          Структурно ОУ содержат дифференциальный УПТ с большим входным сопротивлением, усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления и эмиттерный повторитель с малым выходным сопротивлением.  На электронных схемах операционный усилитель принято обозначать блоком в виде прямоугольника с выводами (рис.9.2.). При этом подразумевается, что внутри имеется полюс с нулевым потенциалом («земля»). Один из входов называется инвертирующим, т.к. при увеличении напряжения на этом входе напряжение на выходе уменьшается. Этот вход (на рис. 9.2 - «Вход1»), помечается кружочком.

 Рис.9.2. Упрощенная схема включения операционного усилителя.

 Передаточная характеристика ОУ и коэффициент усиления.      

Важная характеристика операционного усилителя – передаточная характеристика, зависимость выходного напряжения от напряжений на входах (или напряжения между входами).

 

 Заметим, что на обеих передаточных характеристиках линейные участки несимметричны по входному напряжению.

На рис. 9.4 U_вх1,мин = -37мкВ и U_{вх2,макс} =74мкВ. Середина линейного участка U_вх,ср,= 37мкВ.

На рис. 9.5 U_вх1,мин = -75мкВ и  U_{вх2,макс} =36мкВ. Середина линейного участка U_вх,ср,= -39мкВ.

Асимметрия вызвана индивидуальными особенностями ОУ, которое называется напряжением смещения ОУ. Он компенсируется (при необходимости) включением дополнительных внешних элементов.Источник сигнала можно включить между входами ОУ как в схеме на рис. 9.7. , т.е. изменять напряжение между входами, то получим   передаточную характеристику аналогичную на рис.4.11. Резисторы R1 и R2 включены для задания начального потенциала входов при отсутствии сигнала

          Входное и выходное сопротивления ОУ.

Эти параметры ОУ определяются экспериментально. Входное сопротивление R_вх усилителя определяется в эксперименте, в котором напряжение на вход усилителя от источника синусоидального источника подается через дополнительный резистор. Сопротивление этого резистора увеличивают до тех пор, пока амплитуда напряжения на выходе уменьшится в два раза. В этом случае сопротивление резистора равно входному сопротивлению.Выходное сопротивление R_вых ОУ определяется в эксперименте, в котором последовательно с нагрузкой включается дополнительный резистор. При увеличении сопротивления этого резистора напряжение на нагрузке уменьшается. Оно уменьшится в два раза, когда сопротивление резистора равно выходному сопротивлению ОУДля ОУ массового применения

R_вх=10⁴…10⁷ Ом,

R_вых=10²…10³ Ом.

         Частотные характеристики ОУ.Так как ОУ построен как усилитель постоянного тока, то его частотные свойства определяется инерционными свойствами транзисторов и паразитными емкостными связями. Поэтому он характеризуется только верхней граничной частотой F_гр.

         Идеальный ОУ.

         Для анализа устройств, содержащих ОУ, введено понятие идеального операционного усилителя:

U_{вых,макс} =E_ип ,     K_U=∞,        R_вх=∞,        R_вых=0,       f_гр=∞

 Для идеального ОУ при этом следует:

- входное напряжение U_вх1-U_вх2=0,

- входные токи I_вх1=I_вх2=0.