4.1.3 Структура операционного усилителя и его параметры

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, изготавливаемый в виде интегральной микросхемы и имеющий коэффициент усиления 10⁴10⁶. Благодаря высокому коэффициенту усиления и другим качественным показателям современные интегральные ОУ являются универсальным базовым элементом в аналоговой схемотехнике и применяются для выполнения почти всех математических операций над электрическими сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). Кроме этого, они широко используются при построении электронной аппаратуры самого различного назначения.

Несмотря на большое разнообразие схем интегральных ОУ, структуры их обычно состоят из трех последовательно включенных каскадов. Первый каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и выходом. В качестве второго каскада также используется дифференциальный усилитель обычно с несимметричным выходом. За счет непосредственной связи между каскадами уровень выходного напряжения на втором каскаде повышается. Это требует применения специальной схемы сдвига потенциалов, которая снижает напряжение до уровня, чтобы при U_вх=0 U_вых=0. Схема сдвига входит в третий каскад, на выходе которого включен эмиттерный повторитель, что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. Интегральные ОУ могут насчитывать десятки транзисторов. С описанием схем ОУ общего применения можно познакомиться по учебной литературе [1,2,5].

Условное обозначение ОУ приведено на рис.4.3,а. ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается на схеме кружком, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением – неинвертирующим. ОУ питается от двух разнополярных источников +Е и –Е.

Входные сигналы U_вх1 и U_вх2 подаются, а выходной сигнал U_вых снимается относительно общей заземленной шины. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Это свойство позволяет источники входного сигнала и нагрузку подключать непосредственно к выводам ОУ, т.к. это не приводит к изменению статических режимов его каскадов

а) б)

Рисунок 4.3

а- условное обозначение ОУ; б- передаточные характеристики ОУ для инвертирующего (кривая 1) и неинвертирующего (кривая 2) включений

Напряжение U_вх является дифференциальным сигналом и может подаваться относительно общей шины при заземлении одного из входов. При этом передаточная характеристика ОУ располагается симметрично относительно нуля (рис.4.3,б). Так, при заземленном неинвертирующем входе имеем передаточную характеристику 1, а в случае заземления инвертирующего входа – характеристику 2.

Так как в схеме рис.4.3,а нет внешних обратных связей, то наклон передаточных характеристик определяет коэффициент усиления ОУ . Максимальные значения выходного сигнала ограничено уровнями и , которые определяют режим насыщения выходного каскада транзисторов ОУ. Вблизи этого режима возрастают нелинейные искажения усиливаемого сигнала.