5.6. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – одна из наиболее распространённых АИС, которая примененяется как самостоятельная ИС так и в составе ИС с большой степенью интеграции. Широкое применение ОУ обусловлено их исключительной универсальностью. На ОУ могут быть построены разнообразные усилители, фильтры, корректоры АЧХ и ФЧХ, преобразователи сигналов, генераторы сигналов различной формы. Первоначально ОУ предназначались для использования в аналоговых вычислительных устройствах. В сочетании с простейшими дополнительными элементами они способны выполнять математические операции над анлоговыми сигналами – их сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование. С этим и связано название «операционный усилитель».

ОУ содержит 2 – 3, реже 4 дифференциальных усилительных каскада, включённых один за другим. Этим достигается практически неограниченная величина коэффициента усиления K_u, достигающая 10⁶ раз. Наличие дифференциального входа позволяет применять дифференциальное, инвертирующее и неинвертирующее включения.

На рис. 44 приведены схемы всех трех перечисленных вариантов включения. Здесь используется одно из двух общепринятых условных обозначений ОУ. В них инвертирующий вход помечен знаком «-» или обозначен кружком (рис. 45).

Рис. 44

Рис. 45

На ОУ переносятся все свойства содержащихся в них ДУ – высокая устойчивость к изменениям температуры и питающих напряжений, возможность различных включений, нечувствительность к синфазным входным сигналам. Основное и уточнённое правило работы такие же, как у ДУ, (12) и (13).

Параметры узлов на ОУ легко изменяются при использовании обратной связи. Обобщённая схема усилителя с обратной связью представлена на рис. 46. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления

Рис. 46

по напряжению K_u, часть выходного сигнала которого возвращается на вход через цепь обратной связи с коэффициентом передачи β. Если обратная связь положительная (ПОС), напряжение обратной связи U_oc во входном сумматоре складывается с входным напряжением U_вх. Если обратная связь отрицательная (ООС), эти напряжения вычитаются. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью K_uoc определяется формулой Блэка:

K_uoc = K_u /(1 ± β K_u) (14)

Здесь знак «+» соответствует ООС, знак «-» соответствует ПОС. На рис. 47 представлены инвертирующая (а) и неинвертирующая (б) схемы на ОУ с ООС. В обоих схемах R1 и R2 образуют делитель напряжения, через который сигнал с выхода передаётся на вход, т.е. осуществляется обратная связь. Очевидно, что в такой цепи β = R1/(R1 + R2).

Согласно (14), в неинвертирующем включении:

K_uoоc = K_u /(1 + β K_u) (15)

Так как у ОУ K_u » 1 (до 10⁶), легко выполняется условие β K_u » 1 и поэтому единицей в скобках можно пренебречь. Тогда:

K_uoоc ≈ K_u /(β K_u) = 1 / β = 1 + R2/R1 (16)

Рис. 47,а Рис. 47,б

Следовательно, при достаточно большом усилении ОУ выполняются условия, при которых коэффициент усиления с ООС зависит только от отношения сопротивлений двух резисторов. При изготовлении резисторов по интегральной технологии, отношение их сопротивлений и K_uoоc будет точным и стабильным. Таким же будет и коэффициент усиления усилителя с ООС. В инвертирующем включении K_uoоc ≈ R2/R1, т.е. показатели точности и стабильности также будут очень высокими.

ООС имеет огромное значение не только в аналоговой электронике. ООС способна стабилизировать параметры самых разных систем – экономических, социальных, биологических и других. Так, некоторое подобие схемы на рис. 46 поддерживает неизменной температуру тела человека.

Применение ООС в электронных усилителях не только уточняет и стабилизирует усиление, но и уменьшает искажения сигнала, шумы, напряжение смещения U_см. Всё это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления. Последнее можно компенсировать увеличением числа усилительных каскадов (11).

Одно из полезных проявлений действия ООС заключается в возможности расширения полосы частот усилителя, в которой обеспечивается равномерное усиление. На рис. 48 изображена АЧХ ООУ с ООС при различной глубине обратной связи. Полоса пропускания, ограниченная предельной частотой f_пр, расширяется во столько же раз, во сколько уменьшается коэффициент усиления.

Рис. 48

Возможность выполнения математических операций над аналоговыми величинами (напряжениями) видна уже из выражения (12), согласно которому при дифференциальном включении осуществляется вычитание U_вх1 из U_вх2. Возможно суммирование и вычитание любого числа напряжений, умножение напряжения на коэффициент K_uoc. В качестве примера на рис.49 приведена схема суммирования трех напряжений с одновременным умножением результата суммирования на коэффициент ≈ – 0,65.

Рис. 49

На рис. 50 приведена схема интегратора на ОУ. Если поменять местами R и С этой схемы, она превращается в дифференциатор.

Рис. 50