Стандартная схема операционного усилителя.

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем способен дать один каскад. Поэтому они строятся в основном по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема «классического» двухкаскадного ОУ А741 (полная схема включает 24 транзистора) приведена на рисунке.

Упрощенная схема двухкаскадного оу д741

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p транзисторах VT₁ и VT₂. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на p-n-p транзисторах VT₃ и VT₄. Для выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее соотношение:

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе VT₉, который также представляет собой половину токового зеркала (на упрощенной схеме вторая половина не показана). Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе vt₆. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе VT₁₀. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT₅. Внутренний конденсатор С_K обеспечивает операционному усилителю приемлемую частотную характеристику.

Выходной каскад представляет собой двухтактный эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах VT₇, VT₈. Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает небольшой начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.

Схема замещения операционного усилителя.

При построении высокоточных схем на ОУ необходимо учитывать влияние неидеальности усилителя на характеристики схемы. Для этого удобно представить усилитель схемой замещения, содержащей существенные элементы неидеальности. Полная схема замещения ОУ для малых медленных изменений сигналов представлена на рисунке.

Схема замещения реального операционного усилителя для малых сигналов и схема неинвертирующего усилителя с учетом собственных сопротивлений ОУ

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входе динамическое входное сопротивление для дифференциального сигнала r_D составляет несколько МОм, а динамическое входное сопротивление для синфазного сигнала r_IN — несколько ГОм. Вариации входных токов, обусловленные этими динамическими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких нА. Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя и определяемые смещением транзисторов дифференциального каскада. Для универсальных ОУ входные токи находятся в пределах 10 нА...2 мкА, а для усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, они составляют доли нА.

Входное сопротивление схемы.

Б лагодаря наличию обратной связи к сопротивлению r_D приложено очень малое напряжение

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами величина входного сопротивления на входах превышает 10⁹ Ом. Следует, однако, помнить, что речь идет исключительно о динамическом сопротивлении; это значит, что изменения входного тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно большие значения.

Выходное сопротивление схемы.

Реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Так, рассмотренный выше ОУ типа А741 имеет r_OUT порядка 1 кОм. Однако благодаря отрицательной обратной связи по напряжению динамическое выходное сопротивление схемы на ОУ существенно уменьшается. Физически это объясняется тем, что при снижении выходного напряжения схемы, вызванном падением напряжения на r_OUT при подключении нагрузки, снижается и напряжение обратной связи, что приводит к увеличению дифференциального входного напряжения и, как следствие, к возрастанию выходного напряжения практически до исходного значения.

Подтвердим сказанное расчетом. Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется выражением

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой последнего рисунка, эта формула принимает вид

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина V_D не остается постоянной, а изменяется на величину

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет