4. Краткие теоретические сведения
Операционный усилитель (ОУ) – это универсальная интегральная схема (ИС), предназначенная для решения самых разнообразных задач. При использовании ОУ отпадает необходимость в разработке специальных усилителей под каждую конкретную задачу. Благодаря массовому изготовлению и применению себестоимость ОУ очень низкая. Выпускаются различные варианты ОУ – на биполярных и МДП транзисторах, высокочастотные, малошумящие, с низким энергопотреблением и некоторые другие.
Своё название ОУ получил благодаря способности выполнять математические операции над аналоговыми сигналами. Точность работы вычислительных устройств на основе ОУ невелика, поэтому они не стали серьёзной альтернативой цифровым вычислительным устройствам. ОУ чаще применяются в аналоговых устройствах в роли усилителей, фильтров, корректоров амплитудных, частотных и фазовых характеристик.
Большой запас параметров ОУ расширяет возможности его применения. Например, коэффициент усиления по напряжению KU может достигать сотен тысяч и миллионов раз. Это позволяет при использовании отрицательной обратной связи (ООС) получить меньшее усиление с выигрышем в стабильности, полосе пропускания, снижении шумов и искажений. Так, согласно формуле Блэка, для усилителя с ООС на рис. 1:
KUоос = KU/(1 + βKU), (1)
где коэффициент обратной связи
β = Uоос/Uвых =R1/(R1+R2) (2)
Рис. 1
Из (1) следует, что если коэффициент усиления самого ОУ KU очень большой, то βKU >> 1 и коэффициент усиления с ООС близок к 1/β. Это означает, что свойства такого усилителя от свойств ОУ практически не зависят. Согласно (2), коэффициент β в такой схеме определяется отношением R2/R1. Благодаря сильной корреляции параметров, отношение сопротивлений резисторов ИС является исключительно стабильной и точной величиной, и эти свойства передаются усилителю с ООС в целом. Применение ООС снижает усиление ОУ в n раз, но во столько же раз расширяется его полоса пропускания, возрастает его стабильность, уменьшаются шумы, искажения и т.п.
Применение в цепи обратной связи ОУ RC-цепей, диодов, а также организация нескольких входов позволяют реализовать такие математические функции, как сложение и вычитание напряжений, их потенцирование и логарифмирование, интегрирование и дифференцирование. С этим и связано происхождение названия «операционный усилитель».
Собственно ОУ (условное обозначение приведено на рис. 1), содержит несколько дифференциальных каскадов, что обеспечивает наличие двух входов и возможность инвертирующего и неинвертирующего включения. Плюсом на условном обозначении помечен неинвертирующий вход, минусом – инвертирующий. На рис. 1 видно, что напряжение обратной связи с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход, что и означает наличие ООС.
4. Описание исследуемой схемы
Полная исследуемая схема приведена на рис. 2. Основное усиление обеспечивается двумя дифференциальными каскадами на биполярных транзисторах. Первый из них, входной, содержит одинаковые транзисторы Q3, Q4 и одинаковые резисторы R19, R1. Второй, более сложный каскад также симметричный – Q1, Q2, R18 – левое плечо, Q6, Q7, R7 – правое. Остальные элементы – вспомогательные и служат, в основном, для обеспечения работы дифференциальных каскадов.
ООС осуществляется через R11, подключенный к выходу ОУ (OUTPUT) и к инвертирующему входу первого каскада – базе Q3 (INPUT). Входной сигнал от источника напряжения V709 также подается на базу Q3.
Остальные элементы схемы носят вспомогательный характер и служат для обеспечения постоянного смещения транзисторов усилительных каскадов (положения рабочей точки), частотной коррекции АЧХ или выполняют функции постоянного источника тока или эмиттерного повторителя на выходе схемы, который позволяет получить малое выходное сопротивление ОУ. Подробнее об этих элементах схемы можно узнать в [5].
Рис. 2
Все транзисторы ОУ одинаковые, что существенно облегчает изготовление и улучшает симметрию дифференциальных каскадов. KU такого ОУ без обратной связи достигает 105.