1.7 Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с малым дрейфом нуля, очень большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением. ОУ выпускаются в виде микросхем, поэтому могут рассматриваться как единичные активные приборы широкого применения. Типовая структура ОУ:

- симметричный двухвходовый дифференциальный каскад;

- двухвходовый, симметричный или несимметричный дифференциальный каскад с одним выходом;

- схема сдвига уровня;

- выходной усилитель.

Входной ДК имеет инвертирующий и не инвертирующий входы; второй ДК предназначен для получения большого общего коэффициента передачи, схемы сдвига уровня из-за отсутствия в схеме ОУ разделительных конденсаторов обеспечивают режим работы транзисторов выходного каскада по постоянному току (режим покоя).

Выходной каскад обычно представляет собой однотактную или двухтактную схему на транзисторах с общим коллектором (эмиттерный повторитель) для обеспечения малого выходного сопротивления.

Часто входной ДК питается через эмиттерные (истоковые) повторители, имеющие высокое входное сопротивление. Обозначения ОУ:

При подаче напряжения одновременно на оба входа ОУ выходное напряжение пропорционально их разности:

К_д - дифференциальный коэффициент усиления,

дифференциальный входной сигнал. Величина К_д реальных ОУ лежит в пределах от 10³-10⁶.

Реальный ОУ обладает некоторым ненулевым коэффициентом усиления синфазного сигнала К_с, т.е. на выходе ОУ при имеется некоторое напряжение. Отношение К_п=К_д/К_с называется коэффициентом подавления синфазного сигнала. У реальных ОУ величина К_п составляет от 10³--10⁵. Физический смысл коэффициента подавления: он определяет величину дифференциального сигнала, необходимую для компенсации сигнала на выходе ОУ. Режим покоя соответствует .

Величина U₀ характеризует дифференциальное напряжение на входах ОУ, которое необходимо, чтобы получить на выходе нулевое напряжение. Она составляет доли или единицы микровольт.

Входное сопротивление для дифференциальных сигналов ОУ, выполненных на биполярных транзисторах составляет от 10⁴-10⁶, и 10¹¹-10¹³ на полевых.

Типичная передаточная (амплитудная) характеристика для сигнала показана на рис.2

Рис.2

Из рисунка 2 видно, что используемому линейному участку передаточной характеристики соответствует достаточно узкий диапазон разности входных напряжений, измеряемый в микровольтах. Абсолютные же значения напряжений на входах могут достигать величины и .

1.8. Понятие идеального операционного усилителя

Название "операционный" данный усилитель постоянного тока обязан возможности использовать его для выполнения различных математических операций (функциональных преобразований) над сигналами: суммирование и вычитание с заданными весовыми коэффициентами, дифференцирование и интегрирование, логарифмирование и антилогарифмирование. Для осуществления таких преобразований ОУ должен быть охвачен отрицательной обратной связью.

Для анализа различных схем с ОУ используют такое понятие как идеальный ОУ.

Идеальный ОУ характеризуется:

В этом случае идеализированную амплитудную характеристику можно представить в виде рис.3.

Рис. 3

откуда видно, что . Это так называемый первый нуль ОУ. Так как , то можно считать, что входной ток ОУ также равен нулю; это второй виртуальный нуль ОУ. Эти виртуальные нули позволяют легко определить свойства ОУ, охваченного цепями внешней обратной связи.