Назначение и схемы построения операционных усилителей (оу)

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций с входными сигналами при работе в схеме с глубокой отрицательной связью.

Операционный усилитель, выполненный по интегральной технологии (рисунок 15) может состоять из трех каскадов предварительного усиления (1, 2, 3) и выходного каскада (4). В качестве первого каскада используется дифференциальный усилитель, обладающий большим входным сопротивлением R_ВХ, высокой помехозащищенностью (подавлением синфазных сигналов), низким уровнем дрейфа нуля. Второй каскад обеспечивает основное усиление и переход от симметричного входного дифференциального каскада к несимметричному выходному. Третий каскад – предоконечный – обеспечивает необходимый сдвиг уровня постоянного напряжения и требуемую для подачи на вход выходного каскада амплитуду усиливаемого каскада. Выходной каскад собран по схеме эмиттерного повторителя для получения низкоомного выходного сопротивления.

Условное обозначение ОУ (рисунок 16) - треугольник у которого на стороне основания слева показаны два входа, а справа в вершине - выход. Вход со знаком "+" является неинвертирующим, при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается той же; вход со знаком "-" инвертирующий, при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность меняется на противоположную. На боковых сторонах треугольника расположены выводы подключения источников питания и могут быть дополнительные выводы.

Операционный усилитель обладает свойствами, наиболее соответствующими основным требованиям к усилительным устройствам: большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым выходным сопротивлением, широким частотным диапазоном, низким уровнем шума.

Идеальный ОУ должен иметь следующие параметры: коэффициент усиления К → ∞, входное сопротивление R_ВХ → ∞, выходное сопротивление R_ВЫХ → 0, полосу пропускания 0…∞ Гц, уровень шума U_Ш=0.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ приведена на рисунке 17(а) и амплитудная характеристика - 17(б) (пунктирная линия для инвертирующего входа).

ОУ140УД1. Данный ОУ является одним из первых, но его до сих пор широко применяют в аппаратуре связи и вещания (рисунок 18). На входе расположен дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT2 с нагрузкой R1, R2 и R8. Имеются два входа – инвертируемый 9 и неинвертируемый 10. Дифференциальный каскад усиления на входе обеспечивает все достоинства, присущие этой схеме, для всего ОУ. В цепь эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 включен ГСТ, собранный на транзисторе VT3 и обеспечивающий стабильный ток I_Э1 и I_Э2. Стабилизация режима транзистора VT3 производится с помощью транзистора VT4 в диодном включении.

Транзистор VT3 обладает очень большим выходным сопротивлением переменному току и имеет небольшое падение напряжения постоянного тока; R3 создает ООС по току и тем самым увеличивает R_ВЫХ транзистора VT3. Для синфазной составляющей входного напряжения на ГСТ в эмиттерной цепи создается очень глубокая ООС и происходит ее сильное подавление.

Усиленный дифференциальный сигнал, поданный на дифференциальные входы 9 и 10, снимается с коллекторной нагрузки первого каскада и подается на следующий каскад – дифференциальный усилитель, собранный на транзисторах VT5, VT6. Благодаря тому что транзистор VT5 собран по схеме с ОК, осуществляется переход от дифференциального выхода первого каскада к одиночному выходу второго каскада. С нагрузки VT5, т.еR6, снимается выходное напряжение, которое поступает на вход транзистора VT6, собранного по схеме с ОЭ, на базу этого же транзистора поступает с выхода транзистора VT1. Нетрудно убедиться, что оба сигнала поступают на вход транзистора VT6 в фазе. Например, если на вход VT1 подается переменное напряжение +U₁, то с коллекторной нагрузки VT1 снимается напряжение –KU₁, и с этим знаком поступает на базу VT6, в то же время на вход VT2 подается напряжение – U₂, которое также усиливается и в коллекторной цепи меняет свою фазу на +KU₂. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 сохраняет свою фазу поданного напряжения и практически его величину, так как |U1|=|U2|, то на переход эмиттер – база транзистора VT6 поступает удвоенное напряжение с выхода первого каскада.

Таким образом, парафазное напряжение первого каскада с помощью второго усиливается и преобразуется в однофазное, которое снимается с нагрузки транзистора VT6 и поступает на схему сдвига уровня, собранного на транзисторе VT7, в эмиттерную цепь которого включена нагрузка – делитель напряжения, состоящий из R9 и ГТС на транзисторе VT8. Стабилизация режима VT8 происходит с помощью VT4 в диодном включении. Напряжение, снимаемое с нагрузки VT6, имеет определенный положительный потенциал даже при U_ВХ=0. В то же время при U_ВХ=0 U_ВЫХ должно быть также равно нулю.

Таким образом, схема сдвига уровня должна обеспечить нулевой потенциал на базе VT9 выходного каскада. Для того чтобы не ослаблять полезный сигнал, второе плечо делителя нагрузки в цепи эмиттера VT7 – ГТС на VT8 имеет очень большое сопротивление, и с него практически снимается полное напряжение, которое было подано на вход.

Схема сдвига благодаря тому, что собрана по схеме с ОК, обладает большим R_ВХ и не шунтирует нагрузку предыдущего каскада. Выходной каскад собран по однотактной схеме с ОК на транзисторе VT9. Схема с ОК обеспечивает очень малое выходное сопротивление операционного усиления. Чтобы несколько повысить коэффициент усиления выходного каскада, он охватывается слабой положительной обратной связью. Для этого часть выходного напряжения с R12 снимается и через R11 и VT8 подается обратно на базу VT9. Если в обычном ЭП коэффициент усиления меньше 1, то благодаря ПОС в данной схеме коэффициент усиления примерно 2,5.

Положительная обратная связь слабая, и условие самовозбуждения не может быть выполнено, т.е. схема работает устойчиво. Диод VD, включенный под обратное напряжение, выполняет роль емкости, ускоряющей процесс нарастания и спада напряжения на входе VT8, и тем самым уменьшает переходные искажения.

Упрощенная схема неинвертирующего усилителя звуковых частот на ИМС К140УД1 (Рисунок 19)

Напряжение сигнала подается на неинвертирующий вход, а для того, чтобы обратная связь была отрицательной, цепь обратной связи включают на инвертирующий вход. Свойства ОУ, охваченного глубокой внешней связью, определяются параметрами цепи обратной связи и практически не зависят от свойств самого ОУ.

Цепь обратной связи выполнена на резисторах R6, R2 и С2. Напряжение обратной связи снимается с цепочки R2C2. Напряжение смещения на неинвертирующий вход снимается с резистора R4. а на инвертирующий вход подается с выхода усилителя через резистор R6. Так как входное сопротивление ОУ ровняется единицам мегаом, то постоянная составляющая выходного напряжения подается на вход без потерь.

Буквенно-позиционные обозначения элементов на рисунке 19 соответствуют принципиальной схеме усилителя.

СОДЕРЖАНИЕ

22