4 Операционный усилитель

4.1 Основные параметры и характеристики

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного и переменного тока с большим коэффициентом усиления, выполненный в виде микросхемы. Он имеет дифференциальный вход (два входных вывода) и один выход. ОУ предназначен для выполнения вычислительных операций с аналоговыми сигналами: сложение, вычитание, умножение (усиление), интегрирование.

Условное обозначение и схема включения ОУ показаны на рис. 4.1 Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, поэтому питание усилителя осуществляют от двух источников питания Е_п1 и Е_п2. Один из входов усилителя (U_вх1) называют прямым (неинвертирующим), а второй (U_вх2) – инвертирующим. Увеличение (уменьшение) напряжения на прямом входе приводит к увеличению (уменьшению) напряжения на выходе усилителя. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по отношению к входному сигналу.

Большинство ОУ, выполняемых в интегральном исполнении, имеют три каскада усиления (рис. 4.2).

Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада, в котором максимально компенсируется дрейф нуля (дрейф нуля – самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном входном сигнале).

Рисунок 4.2 – Внутренняя схема операционного усилителя

В качестве второго каскада часто используется дифференциальный каскад с несимметричным выходом. Третий (выходной) каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя (по схеме с общим коллектором), что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. В современных ОУ применяются достаточно сложные схемы дифференциальных каскадов. Дополнительные элементы обеспечивают повышение входного сопротивления, стабилизацию режима покоя, повышение коэффициента усиления и т.д.

Идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления K_U = U_вых/U_вх  , большое входное сопротивление R_вх   и малое выходное сопротивление R_вых  0. Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Система параметров, приводимая в справочниках, позволяет оценить эти свойства и определить режимы, в которых может использоваться ОУ.

Приведем некоторые основные параметры ОУ:

• коэффициент усиления K_U = U_вых/U_вх = (10³  510⁵), где U_вх = U_вх1  U_вх2. Наибольшее распространение получили ОУ, имеющие K_U = 210⁵;

• входное сопротивление R_вх = (1  100) МОм;

• выходное сопротивление R_вых = (30  300) Ом;

• сопротивление нагрузки R_н = (1  10) кОм;

• напряжение питания Е_п =  (3  15) В;

• напряжение смещения U_см = (1  100) мВ;

• ток, потребляемый от источника питания I_пот = (2  20) мА.

На рис. 4.3 приведена амплитудная характеристика ОУ (зависимость выходного напряжения от входного).

Амплитудная характеристика представлена в виде двух кривых, относящихся к прямому входу U_вых = F(U_вх1) и к инверсному входу U_вых = F(U_вх2). Характеристики снимают, подавая сигнал на один из входов при нулевом сигнале на другом. На характеристиках можно выделить два участка: участок линейной зависимости выходного напряжения от входного (угол наклона характеристики на этом участке определяется коэффициентом усиления ОУ K_U = ∆U_вых/∆U_вх и усилитель работает в активном режиме) и участки насыщения, где выходное напряжение ОУ достигает своего максимального значения ии при дальнейшем увеличении входного напряжения не изменяется.

Максимальные значения выходного напряжения ОУ близки к напряжению источников питания (меньше Е_п на (1,5 – 2,5) В в зависимости от типа ОУ).

По амплитудной характеристике ОУ рис. 4.3 можно определить максимальное входное напряжение U_вх.max, при котором еще соблюдается пропорциональность между входным и выходным напряжениями ОУ (линейность характеристики). Зная максимальное выходное напряжение U_вых.m  10 В, определим U_вх.max, приняв коэффициент усиления K_U = 210⁵

U_вх.max = U_вых.m/K_U = 10 В/(210⁵) = 510^5 В = 0,05 мВ.

Такое напряжение, по сравнению с напряжениями на входе схемы, построенной на основе ОУ, измеряемых единицами вольт, можно считать нулевым. Учитывая большую величину входного сопротивления ОУ, приближающегося к бесконечности, можно считать входной ток ОУ, равным нулю. Таким образом, можно ввести два, достаточно корректных допущения, существенно упрощающих анализ схем, построенных на основе ОУ:

K_{U ОУ}    U_вх.ОУ = 0; (4.1)

R_{вх ОУ}    I_вх.ОУ = 0. (4.2)