6. Операционный усилитель

По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи. Операционные усилители 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. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название -операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители 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 операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях линейной схемотехники.

Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры. Более подробно эти вопросы изложены в гл. 7.

Здесь рассматриваются основные параметры операционных усилителей, и прежде всего те, которые используются для описания реально выпускаемых элементов, приводятся основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных связей. Исследуются также границы применимости идеализированных характеристик операционных усилителей. Полученные результаты используются в последующих главах для описания конкретных схем на базе операционных усилителей.

6.1. Свойства операционного усилителя

Рис. 6.1. Схемное обозначение операционного усилителя

На рис. 6.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В области низких частот выходное напряжение U_a находится в той же фазе, что и разность входных напряжений:

Р-вход называется неинвертирующим и на схеме операционного усилителя обозначается знаком «плюс». N-вход называется инвертирующим и обозначается на схеме знаком «минус».

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двуполярное питающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 6.1, подключаются к соответствующим внешним клеммам операционного усилителя. Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания ± 15 В. На принципиальных схемах устройств обычно изображают только их входные и выходные клеммы.

В действительности, разумеется, не существует идеальных операционных усилителей. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя

имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 10⁴ до 10⁵ Он называется также собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т е усиления при отсутсгвии обратной связи.

На рис 6.2 показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от U_D. В диапазоне U_aмин < U_a < U_aмакс оно зависит от U_D почти линейно. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом U_D соответствующего увеличения U_a не происходит. Границы области усиления U_aмин и U_aмакс отстоят приблизительно на 3 В от соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания При работе операционного усилителя с напряжением питания + 15 В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет ± 12 В.

Рис 6 2 Выходное напряжение операционного усилителя как функция разности входных напряжении Пунктиром показана характеристика, снятая без компенсации напряжения смещения нулевой точки

Передаточная характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 6.2, штриховой линией, для реальных операционных усилителей эта характеристика несколько сдвинута. Таким образом для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторую разность напряжений Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля U₀. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю (см разд 4.7.4, где это было описано для дифференциального усилителя) Поэтому во многих интегральных операционных усилителях предусмотрены специальные клеммы.

После устранения напряжения смещения нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от времени, температуры и напряжения питания:

Составляющая dU₀ /dU_b характеризуется влиянием отклонения напряжения питания от номинального значения на величину смещения нулевой точки и составляет обычно 10-100 мкВ/В Поэтому если требуется минимизировать эту составляющую дрейфа, необходимо обеспечить напряжение питания с точностью до нескольких милливольт

В дальнейшем изложении будет предполагаться, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и равно нулю Тогда из формулы (6 1) следует

Таким образом, в пределах динамического диапазона выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности входных напряжений.

Если на Р- и N-входы подать одно и то же напряжение U_Gl, то U_D не изменит нулевого значения. В соответствии с выражением (6.2) выходное напряжение U_a также должно остаться равным нулю. Однако, как уже показано в разд. 4.7.1, для реальных дифференциальных усилителей это не вполне соответствует действительности, т.е коэффициент усиления синфазного сигнала

не строго равен нулю.

Рис 6.3 Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного входного сигнала

Как видно из рис. 6.3, при некоторых достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает Используемый диапазон выходного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. Как правило, ее границы (по модулю) на 2 В ниже соответственно1Еположительно-го и отрицательного уровней напряжения питания. Неидеальность операционного усилителя характеризуется параметром, называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала G = А_D/А_Gl. Его типовые значения составляют 10⁴10⁵ Коэффициент усиления дифференциального сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала A_Gl. Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины G. В формулах же величина G используется с учетом ее фактического знака. Разумеется, если разработчика интересует только отличие данного усилителя от идеального, которое характеризуется определенным значением величины G, то ее знак не играет никакой роли.

При использовании понятия коэффициента усиления синфазного сигнала требуется более точно определить коэффициент усиления дифференциального сигнала А_D через частную производную:

При этом для выходного напряжения получается выражение более общего вида:

или

Из этих соотношений вытекает другое удобное определение коэффициента ослабления синфазного сигнала При V = 0

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения  U_D следует приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление синфазного сигнала на выходе усилителя.

Так как передаточные характеристики, изображенные на рис. 6.2 и 6 3, в рабочей области практически линейны, формулу (6.3) с учетом напряжения смещения можно записать как

или

При U₀ 0 и U_Gl  0 это соотношение принимает вид формулы (6.1). Решение уравнения (6.4) относительно U_D дает

Как будет видно из следующей главы, операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно выполняться по меньшей мере вплоть до частоты,

при которой |A_D| = 1. Для выполнения этого требования схема операционного усилителя должна содержать фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза.

Рис. 6.4. Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.

На рис. 6.4 представлена типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления такого «частотно-скорректированного» операционного усилителя. В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой:

Здесь A_D- предельное значение A_D на нижних частотах. Выше частоты f_gA, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления A_D обратно пропорционален частоте.

Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

На частоте f_T модуль дифференциального коэффициента усиления | A_D | = 1. Как следует из выражения (6.7), частота f_T равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы.