Тема 4 аналоговые имс Теоретический материал

4.1 Операционный усилитель

Одним из базовых устройств в интегральной схемотехнике является операционный усилитель (ОУ). На основе ОУ могут быть созданы другие различные функциональные устройства – генераторы электрических колебаний, фильтры, усилители, компараторы и др. Термин операционный происходит от первоначального применения таких усилителей – выполнение математических операций в аналоговых вычислительных машинах. На рис. 8 приведено графическое обозначение ОУ.

Рисунок 8. Графическое изображение ОУ

ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов (U^–) называется инвертирующим, другой (U⁺) называется неинвертирующим. Для питания ОУ обычно применяются два источника питания (+Е₁, –Е₂), что позволяет иметь входные и выходные напряжения разной полярности относительно земли, с потенциалом равным нулю. Это позволяет включать ОУ друг за другом, каскадно, не используя при этом разделительных конденсаторов. Клеммы питания (+Е₁, –Е₂), заземления ( ), баланса нуля, коррекции и другие называются служебными и могут в схеме не указываться.

ОУ может содержать в себе различные схемы – функциональные узлы: дифференциальные усилители (ДУ), усилители напряжения, схемы сдвига уровня постоянного напряжения (ССУ), генератор стабильного тока (ГСТ), эмиттерный повторитель (ЭП) и др. Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами.

Коэффициент усиления ОУ без отрицательной обратной связи (ООС) называют собственным коэффициентом усиления К₀. Анализ устройств, содержащих операционный усилитель, значительно упрощается, если операционный усилитель считать идеальным. Под идеальным понимают ОУ со следующими параметрами:

- коэффициент усиления К₀ = ∞,

- входное сопротивление R_вх = ∞,

- выходное сопротивление R_вых= 0,

- входной ток I_вх = 0,

- ОУ сбалансирован, т.е. U_вых = 0, при U = U⁺ – U^– = 0.

Идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ с точки зрения погрешностей, создаваемых ими, близки к идеальным.

У реального ОУ входное сопротивление обычно не менее 1 МОм, коэффициент усиления более 10⁵, выходное сопротивление 75 – 200 Ом.

При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U⁺ (на неинвертирующем входе) или с уменьшением напряжения U^– (на инвертирующем входе).

Дифференциальный (U_дс) и синфазный (U_сс) входной сигнал определяются следующими выражениями:

U_дс= (U⁺ – U^–), (40)

U_сс=0,5(U⁺ + U^–). (41)

Коэффициент усиления ОУ без отрицательной обратной связи (ООС) называют собственным коэффициентом усиления (К₀).

Коэффициент усиления дифференциального сигнала K₀ определяется:

(42)

На рис. 9 приведена амплитудная (передаточная) характеристика неинвентирующего ОУ.

Рисунок 9. Передаточная характеристика неинвертирующего ОУ

Обычно U_вых.max  (+E_п – 1 В), а U_вых.min  (–Е_п + 1 В).

Диапазон от U_вых.min до U_вых.max, где выходное напряжение зависит от входного напряжения линейно, называется динамическим диапазоном ОУ. Область, где U_вых U_вых.max и U_вых U_вых.min называется областью насыщения.

Диапазон входных напряжений ОУ от U_вх.min до U_вх.max очень мал из-за большого коэффициента усиления К₀. Например, при К₀ = 10⁶, U_вых.max = U_вых.min = 10 В, максимальное значение дифференциального входного напряжения равно:

мкВ.

При U_вх U_вх.max наступает насыщение.

Поэтому для того, чтобы повысить динамический диапазон по входу и выходу, а также расширить диапазон рабочих частот, ОУ охватывают отрицательной обратной связью (ООС), для этого часть выходного напряжения подают на инвертирующий вход.

Передаточная характеристика неидеального ОУ не проходит через начало координат (штриховая линия). Напряжение, которое необходимо подать на вход, для того чтобы U_вых = 0, называется напряжением смещения. У ОУ с биполярными транзисторами на входе U_cм  1мВ, а у ОУ с полевыми транзисторами на входе U_cм  10 мВ. На некоторых ОУ имеются специальные выводы для подсоединения потенциометров для компенсации напряжения смещения.