ностью определяется параметрами ОС. Поскольку цепь ООС создается пассивны- ми элементами цепей, параметры которых слабо зависят от температуры и других факторов, то величина KОС ≈ 1γ оказывается очень стабильной.

Использование ООС улучшает и другие параметры усилителя: расширяет полосу пропускания; уменьшает коэффициент гармоник; уменьшает величину ко- эффициента частотных искажений как на нижних, так и на верхних частотах; су- щественно уменьшает шумы и помехи, возникающие внутри усилителя; изменяет (в зависимости от способа получения и введения сигнала ОС) входное и выходное сопротивления усилителя. ООС по напряжению уменьшает выходное сопротив- ление, ООС по току увеличивает его. Параллельная ООС уменьшает входное со- противление, последовательная ООС увеличивает его.

9.3. Упрощенная принципиальная схема операционного усилителя

На рис. 9.3 представлена упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ, на которой для улучшения восприятия и чтения ряд устройств заменены их ус- ловными обозначениями. Источники тока в ОУ обычно реализуются с помощью токовых зеркал, схемы которых рассмотрены ранее.

Рис. 9.3

Входной каскад является дифференциальным усилителем, в котором тран- зисторы VT1 и VT2 являются усилительными, а VT3 и VT4 образуют токовое зер- кало и являются динамической нагрузкой для VT1 и VT2. Второй усилительный каскад включает транзисторы VT5 – VT8. Основное усиление по напряжению во втором каскаде обеспечивает транзистор VT6, включенный по схеме с ОЭ. Эмит- терный повторитель на транзисторе VT5 служит для согласования дифференци- ального усилителя с динамической нагрузкой, имеющего высокое выходное сопротивление, и усилителя на VT6 с относительно низким входным сопротив-

130

лением. На выходе ОУ используется двухтактный эмиттерный повторитель на транзисторах VT7 и VT8. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают задание режима АВ этих транзисторов.

Использование источника тока в первом усилительном каскаде позволяет улучшить параметры дифференциального усилителя. Динамическая нагрузка для VT6 в виде источника тока значительно увеличивает коэффициент усиле- ния по напряжению второго каскада. Двухтактный выходной эмиттерный по-

вторитель напряжения позволяет сохранить высокий коэффициент усиления каскада на VT6 и обеспечить низкое выходное сопротивление ОУ.

Конденсатор CK является элементом, который обеспечивает внутреннюю

коррекцию АЧХ ОУ, т.е. обеспечивает требуемое значение частоты единичного усиления f1. Поскольку в интегральном исполнении сложно реализовать кон-

денсаторы большой емкости, то CK включен в цепь отрицательной ОС. Эф- фект Миллера приводит к тому, что эффективная емкость CK возрастает в Ku +1 раз по сравнению с номинальной, где Ku – коэффициент усиления по напряжению между точками подключения CK . Для обеспечения возможности

осуществления дополнительной внешней коррекции путем подключения внеш- них конденсаторов в ОУ создают дополнительные выводы от точек подключе- ния конденсатора CK . Подключение конденсаторов параллельно CK уменьша-

ет полосу пропускания усилителя на ОУ, что позволяет обеспечить заданный уровень шумов в полосе пропускания, устранить возможность самовозбужде- ния ОУ и т.д.

Рассмотрим схемотехнику усилителей на основе ОУ. Питание ОУ обычно осущест-

вляется от двух разнополярных источников постоянного напряжения UИП1, UИП2 оди-

наковой величины, как показано на рис. 9.4.

В представленных ниже принципиальных схемах усилителей цепи питания ОУ не пока- заны для облегчения их восприятия.

Рис. 9.4

9.4. Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя на ОУ показана на рис. 9.5. Выраже- ние для коэффициента усиления по напряжению этой схемы может быть полу- чено из уравнений, составленных по законам Кирхгофа:

131

где Uвх диф = U− - U+ – разностное входное напряжение ОУ. При анализе будем считать ОУ идеальным, тогда с учетом известных параметров идеального ОУ

и полностью определяется цепью ОС, что соответствует полученному ранее соот- ношению (9.10).

Точку А, к которой подключен инвертирующий вход ОУ, называют вирту- альным нулем схемы, поскольку напряжение этой точки близко к нулю

UА = Uвх диф » 0 .

ОС в этой схеме действует следующим образом. Увеличение, например, входного напряжения приводит к увеличению напряжения в точке А UА и увели-

чению входного тока IR . Выходное напряжение при этом должно измениться та- ким образом, чтобы напряжение на входе ОУ Uвх диф осталось равным нулю, т.е.

выходное напряжение уменьшается, это приводит к росту напряжения на резисторе ОС и увеличению тока IОС через него.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопро-

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сле- дующим выражением:

где γ = R(R + RОС ).

Анализ (9.15) и (9.16) показывает, что наличие в схеме ООС по напряже- нию, параллельной по входу, приводит к значительному уменьшению входного и выходного сопротивлений.

При проектировании инвертирующего усилителя сопротивление резисто-

132

где RС – сопротивление источника сигнала, чтобы усилитель не перегружал

источник входного сигнала.

Поскольку через сопротивление RОС протекает часть выходного тока

ОУ, т.е. оно является нагрузкой ОУ, то его сопротивление должно выбираться

из условия

где IН – ток нагрузки усилителя. В этом случае ОУ не будет перегружаться.

9.5. Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 9.6. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы получим, так же, как и для предыдущей, из уравнений, составленных по закону Кирхгофа

Из (9.21) следует, что коэффициент усиления по напряжению в схеме неин- вертирующего усилителя всегда больше 1.

В отличие от схемы инвертирующего усилителя в данной схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению, последовательной по входу. Поэтому входное сопро-

тивление этой схемы значительно больше входного сопротивления ОУ без ОС:

Выходное сопротивление определяется, как и для инвертирующего уси- лителя, согласно (9.16).

9.6. Повторитель напряжения

На основе схемы неинвертирующего усилителя можно построить повтори- тель напряжения, с единичным коэффициентом усиления по напряжению, но большим входным сопротивлением, который можно использовать в качестве со- гласующего каскада. Как следует из (9.21), для достижения равенства Ku = 1 не-

обходимо устремить сопротивления резисторов к следующим величинам: R → ∞ , RОС → 0. Схема повторителя напряжения показана на рис. 9.7.

133