25

6. Операционные усилители

6.1. Общие сведения

Ход развития электроники был предопределен резким увеличением функций, выполняемых РЭА и повышением требований к ее надежности.

Прогресс технологии и схемотехники, позволивший создать новую элементную базу, был в 60–70 годах столь быстрым, что он проявился не только во многих устоявшихся терминах радиоэлектроники, но значительно пополнил ее словарный запас.

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока, как правило, прямого усиления с весьма большим коэффициентом усиления по напряжению. Вследствие этого с помощью ОУ можно строить узлы аппаратуры, показатели которой практически определяются только параметрами элементов цепей ОС, вводимой в ОУ, и не зависят от самого ОУ. Поэтому ОУ и предназначен в основном для применения с цепями ОС.

Термин операционный усилитель дан потому, что первоначально ОУ предназначался для применения в аналоговых вычислительных машинах при выполнении математических операций, таких, как суммирование, вычитание, масштабирование, дифференцирование и пр.

В настоящее время область применения ОУ чрезвычайно широка. В качестве универсального ОУ могут использоваться для создания самых различных функциональных узлов.

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с диф ференциальным входом, имеющий большой, не нестабильный коэффициент усиления по напряжению (К=10⁴ ...10⁶), большой входное () и малое выходное () сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления по напряжению до 1..., но одновременно с этим стабилизирует, увеличиваети умень­шается.

Таким образом, операционный усилитель — это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, но своим характерис­тикам приближающийся к воображаемому «идеальному усили­телю». С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: 1) бесконечный коэффициент усиления но напряжению ; 2) бесконечное полное входное сопротивление (); 3) нулевое полное выходное сопротивление (); 4) равенство нулю выходного напряжения () при равных напряжениях на входах (); 5) беско­нечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель). На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложе­ний точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

ОУ является наиболее популярным и универсальным узлом в электронной схемотехнике. Он обеспечивает решение многочисленных и разнообразных задач по линейной и нелинейной обработке электрических сигналов.

За четыре десятилетия разработаны и применялись много новых поколений операционных усилителей со специальными и улучшенными параметрами.

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Знания параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет выбрать наиболее подходящий тип ОУ для конкретной цели. Параметры ОУ можно разделить на несколько групп: входные, выходные, усилительные, энергетические, дрейфовые и шумовые, скоростные. Кроме того реальные ОУ имеют ряд производственных характеристик, которые являются в следствии отклонений его схемотехники и конструкции от идеальных.

Набор параметров ОУ, создающий его полную электрическую модель, содержит не менее двадцати наименований. Полная метрика параметров, приводимая в конкретных справочниках позволяет выяснить ценность конкретного ОУ практически без проведения его электрических испытаний, сравнить качество усилителей, выпускаемых различными фирмами , что имеет решающее значение для быстрого и правильного выбора подходящего ОУ при проектировании аппаратуры . Комплекс параметров характеризует всю массу ОУ выпускаемых серийно. Поэтому устанавливаемые для данных ОУ параметры связанны с особенностями производства. Статистика параметров отдельных экземпляров серии показывает, что при больших количествах исследованных ОУ имеет нормальный закон распределения параметров. Поэтому из определенной партии ОУ можно выбрать образцы, имеющие параметры лучше, чем указанные в спецификации . Основная масса аналоговой аппаратуры строится на базе многоцелевых стандартных ОУ , что снижает себестоимость аппаратуры в производстве.