5. Операционный усилитель. Схемотехника операционных усилителей. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики для малого сигнала. Быстродействующие широкополосные операционные усилители

5.1. Операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью. Он имеет высокое входное сопротивление и практически бесконечно большой коэффициент усиления K_U. Несмотря на то, что связь ОУ с общей шиной обычно не указывается явно (рис. 5.1,а), она всегда имеет место и осуществляется через источники питания (рис. 5.1,б). Поэтому функционально ОУ часто рассматривают как четырехполюсник, имеющий кроме общего вывода два входа и один выход. Один из входов усилителя, отмеченный знаком «+» называют неинвертирующим, или прямым, другой вход, отмеченный знаком «–», называется инвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с увеличением напряжения U₊ на прямом входе или с уменьшением напряжения U_ на инвертирующем. Дифференциальный и синфазный входные сигналы, обозначаемые соответственно U и U_СФ, определяются по формулам:

U = U₊ - U_ (5.1)

U_СФ= 0.5(U₊ + U_) (5.2)

а)		б)

Рис. 5.1. Обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель является дифференциальным устройст­вом, способным реагировать только на дифференциальный сигнал. Влияние синфазного сигнала пренебрежимо мало и может рассматри­ваться лишь при оценке погрешности в работе ОУ.

Идеализированная модель ОУ предполагает, что связь между входным дифференциальным сигналом и выходным напряжением описывается соотношением

U_ВЫХ = K_UU (5.3)

Поскольку K_U , то использовать ОУ можно только в условиях действия отрицательной обратной связи, осуществляемой через внешнюю цепь, как показано на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Операционный усилитель с обратной связью

Внешняя цепь чаще всего является линейной пассивной цепью, однако в общем случае может содержать дополнительные усилительные элементы. Обратная связь будет отрицательной, если при увеличении выходного напряжения U_ВЫХ = U_ОС уменьшится U. В этом случае в цепи обратной связи уста­навливается равновесный режим, при котором U = U_ВЫХ/ K_U0, т. е. ОУ выполняет по отношению к внешней цепи функцию автоматического регулятора, формирующего на своем выходе такой сигнал управления внешней цепью, при котором дифференциальный сигнал U на входе ОУ (рассматриваемый как сигнал рассогласования) принимает нулевое значение.

Общий коэффициент A_COM усиления будет зависеть от усиления ОУ (А) и коэффициента обратной связи (β)

(5.4)

и при больших βА он равен 1/β т.е. не зависит от А.

Для устойчивости схемы с обратной связью необходимо, чтобы при частоте единичного усиления фазовая задержка ОУ была меньше 180⁰.

Каждый усилительный каскад, обладая инерционностью, вносит фазовый сдвиг до 90⁰, и допустимое количество усилительных каскадов ограничено.

Обычно в состав ОУ входят:

1) входной дифференциальный каскад;

2) промежуточный каскад с высоким усилением;

3) выходной каскад;

4) источник опорных напряжений;

5) цепь компенсации.

Выходной каскад предназначен для работы на большую внешнюю нагрузку и его коэффициент усиления обычно меньше единицы. У операционных усилителей, нагруженных только на емкостную нагрузку (внутри кристалла), выходной каскад может отсутствовать, либо они могут содержать только один каскад с высоким выходным сопротивлением. Подобные усилители преобразуют (трансформируют) входное напряжение в выходной ток и их часто называют операционными транс­формирующими усилителями (ОТУ). Фактически ОУ состоит из ОТУ и выходного каскада, согласованных по режиму и диапазонам сигналов, имеющих общий источник опорных напряжений. Во входном каскаде и или в промежуточном могут использоваться каскодные схемы.

В некоторых применениях в ОУ используют более двух усили­тельных каскадов, но в этом случае приходится усложнять цепь компенсации.