4.7.4 Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (Ю^-.Ю), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления.

4.7.4.1 Структура оу

Независимо от сложности принципиаль­ном схемы почти все ОУ имеют структурную схему, показанную на рисунке 7.13. Операционные усилители, построенные построенные по такой структурной схеме, имеют два входа и один выход. По отношению к выходу один из входов является импортирующим, другой –– неинвертирующим. Наличие в УО У инвертирующего и неинвертирующего входов значительно облегчает введение в него различных ОС и с их помощью реализацию различных функций.

Отклонения от данной структурной схемы носят непринципиальный характер. Например, могут быть три каскада усиления напряжения, схема защиты выхода от короткого замыкания и схема защиты входного каскада от перенапряжений.

Рисунок 7.13 –Структурная схема ОУ

Каскады усиления служат для обеспечения задан­ного коэффициента усиления. В современных ОУ коэф­фициент усиления составляет от единиц до десятков тысяч. Каскад сдвига уровня напряжения

предназначен для исключения постоянной составляющей напряжения, ко­торая возникает в ОУ при непосредственной связи между каскадами. Благодаря этому каскаду на выходе ОУ уста­навливается нулевое напряжение при отсутствии сигналов на его входах.

Выходной (оконечный) каскад служит для получения малого выходного сопротивления ОУ в целях лучшего согласования ОУ с нагрузкой. Он выполняется по однотактной, а чаще всего ПО двухтактной схеме. В некото­рых ОУ в выходных каскадах Предусмотрена схема за­щиты от перегрузок, с помощью которой ограничивается максимальный ток транзисторов выходного каскада.

Питание ОУ осуществляется от разнополярных источ­ников, благодаря чему облегчается задача компенсации смещения нуля на выходе ОУ при отсутствии входных сигналов и исключается постоянная составляющая тока и напряжения в нагрузке. Для большинства современных ОУ напряжения питания можно изменять в широких пре­делах: от ±3 до ±15. В (важно лишь, чтобы по абсо­лютному значению напряжения «положительного» и «от­рицательного» источников оставались одинаковыми).

Для обеспечения устойчивости в операционных усили­телях широко используются частотно-зависимые обратные связи (цепи коррекции).

Хорошие шумовые свойства ОУ обеспечиваются спе­циальными технологическими операциями при производ­стве транзисторов с минимальной площадью контакта р-n-переходов с поверхностью, уменьшением абсолют­ных размеров транзисторов, высококачественной изоля­цией и использованием во входных каскадах полевых транзисторов.

Большинство интегральных ОУ изготавливают по полупроводниковой технологии (серии К140, К153, К740, К744, 287).

4.7.4.2 Параметры и характеристики оу

Наиболее употребительные параметры интегральных ОУ:

– кккоэффициент усиления напряжения К_{у u}, или коэффициентциентцие усиления дифференциального сигнала;

– коэффициент усиления синфазных входных напряже­нии К_{у. сф};

– коэККкоккоэффициент ослабления синфазных входных сигналов К_{ос. сф};

– напряжение смещения U_CM ––– значение напряжения на навходе ОУ, при котором выходное напряжение равно нулю;

– входные токи и разность входных токов I_вх1, I_вх2, и разностьII входных токов ΔI_вх = , оIпределяемые в заданном режиме (обычно при u_вых = 0).

Параметры U_{CM ,} I_вх, ΔI_вх изменяются с изменением температуры. Поэтому эти параметры дополнительно характеризуются температурным дрейфом, который численно равен отношению отклонения соответствующего ппппараметра от его значения при комнатной температуре к изменению температуры окружающей среды.

Кроме указанных параметров, свойства интегральных ОУ ОУ характеризуются выходным I_вых и потребляемым I _пот токами, входным R_{вхвх вхвх} и выходным R_{вхвх вхвых} сопротивлениями, максимальными и минимальными входными и выходными напряжениями и др.

Перечисленные параметры составляют группу так называемых статических параметров ОУ. Быстродействие ОУ характеризуется динамическими параметрами, основ­ными из которых являются следующие:

верхняя граничная частота полосы пропускания ff_в, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается в по сравнению с его значением приf ff = 0;

частота единичного усиления f₁, на которой коэффи­циент усиления ОУ равен 1;

скорость нарастания выходного напряжения , определяемая при подаче на вход ОУ напряжения прямоугольной формы с амплитудой, равной максимальному входномувходномунапряжению. Этот параметр выражают в вольтах на микросекунду (В/мкс).

Реакцию ОУ на воздействие ступенчатого входного напряжения оценивают временем установления t_y выходного напряжения.

Основными характеристиками ОУ являются амплитудная и амплитудно-частотная (рисунок 7.14).

Рисунок 7.14 – Характеристики ОУ: а – амплитудная; б – АЧХ

На рисунке 3.41, а показано условное графическое обозначение ОУ.

Как и в ДУ, по отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующим U_н, а другой – инвертирующим U_н; последний обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников + U_п и – U_н (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым вход­ным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ

Рисунок 3.41 – Операционный усилитель:

а – условное графическое обозначение;

б – передаточные характеристики

пропорционален дифференциальному входному сигналу – разности входных U₀ = U_н – U_и.

Коэффициент усиления по напряжению К₀ собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

(3.97)

К₀ = U_вых/ U₀

Передаточные характеристики (рис. 3.41, б) имеют важнейшее значе­ние для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 7). При подаче сигнала на инверти­рующий вход и заземлении неинвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту уси­ления по напряжению К₀. Горизонтальные участки передаточный характери­стик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, по­этому выходное напряжение

(3.98)

Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила ана­лиза) ОУ:

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

(3.99)

Изложенное выше понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания его инвертирую­щего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем, в отличие от физического замыкания, ток между вирту­ально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другими словами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.

2. Входы ОУ не употребляют ток от источника входного сигнала

(3.100)