3. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ)это высококачественный широкополосный усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход, несимметричный выход и большой коэффициент усиления.

Операционные усилители играют роль многоцелевых элементов и используются в различных усилительных устройствах, при построении схем генераторов синусоидальных напряжений, прямоугольных импульсов, в активных фильтрах и т.д. Условные обозначения ОУ на принципиальных схемах приведены на рис.6.16. и 6.17.

Показанный на рис.6.16. усилитель имеет два входных электрода и один выходной электрод. Входы операционного усилителя в зависимости от фазировки выходного сигнала относительно входного получили название инвертирующего(вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180относительно выходного напряжения; этод вход обозначается знаком инверсии О) инеинвертирующего (вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением). На рис.6.17. с обеих сторон основного поля введены дополнительные поля с метками:NC  выводы балансировки (коррекции нуля),FC  выводы частотной коррекции, OV  общий информационный вывод, U  выводы напряжения питания, хвывод несущей логической информации,корпус.

Основу ОУ составляет параллельно-балансный дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада ОУ. Для увеличения коэффициента усиления ОУ строится по 2-х каскадной или 3-х каскадной схеме. Выходным каскадом, как правило, является эммиттерный повторитель для уменьшения выходного сопротивления усилителя и для обеспечения согласования с нагрузкой. Между входным и выходным каскадами ставятся промежуточные каскады усиления, предназначенные для сдвига уровня выходного напряжения и для повышения общего коэффициента усиления. Операционные усилители бывают двух- и трехкаскадные. В двухкаскадных ОУ входной каскад выполняется с динамическими нагрузками, а в трехкаскадных ОУ с активными нагрузками.

Принцип работы трехкаскадного ОУ рассмотрим на примере микросхемы К140УД1 (рис.6.18.).

На транзисторах VТ₁VТ₂и резисторах R₁,R₂собран входной параллельно-балансный каскад. Суммарный ток эмиттеров транзисторов стабилизирует источник тока на транзисторахVТ₃,VТ₄, резисторах R₄, R₅. Источник тока одновременно формирует фиксированный потенциал базы транзистораVТ₉. Резистор R₆обеспечивает постоянное потенциальное смещение для согласования уровней выходного напряжения входного каскада с уровнями входного напряжения второго дифференциально-усилительного каскада, выполненного на транзисторахVТ₅,VТ₆, и резисторах R₇, R₈. Выходной сигнал со второго каскада используется для управления эмиттерным повторителем на транзисторахVТ₇,VТ₈для увеличения коэффициента усиления по напряжению. На транзисторахVТ₇иVТ₈реализован каскад сдвига уровня напряжения, причемVТ₇включен по схеме с общим коллектором, аVТ₈включен по схеме с общей базой и выполняет две функции: на транзистореVТ₈реализован генератор тока для транзистора Т₇, и транзисторVТ₈входит в цепь положительной обратной связи выходного эмиттерного повторителя на транзистореVТ₉с целью повышения коэффициента передачи эмиттерного повторителя до значения, большего единицы.

Основными характеристиками и параметрами ОУ являются усилительные, входные, выходные, энергетические, дрейфовые, частотные и скоростные параметры.

Основной характеристикой ОУ является его амплитудная (или передаточная) характеристика (рис.6.19.), которая отражает зависимость выходного напряжения от медленно меняющегося входного сигнала. Наличие двух входов обуславливает наличие двух переходных характеристик: сигнал при этом подается на один из входов при заземленном другом. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого транзистора (транзистор насыщен) или закрытого транзистора. Значения максимальных выходных напряженийU⁺_ВЫХmaxиU^–_ВЫХmax близки к напряжению Е_Кисточников питания. Для восходящих участков наклон определяетсякоэффициентом усиления операционного усилителя, который зависит от типа усилителя и составляет величину от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч.

Выходное напряжение ОУ является функцией его входного напряжения. Состояние ОУ, когда U_ВЫХ= 0 приU_ВХ= 0 называетсябалансом ОУ. Для реальных ОУ условие баланса не выполняется (рис.6.20.). ПриU_ВХ= 0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля (U_ВЫХ⁺илиU_ВЫХ^–).Напряжение смещения нуля U_{ВХ. СМ. 0}это напряжение, которое нужно подать, чтобыU_ВЫХ= 0; оно зависит от температуры (следовательно, любой ОУ характеризуется температурным дрейфомU_ВХ.СМ.0) и от изменения питающих напряжений.

К параметрам входной цепиОУ относят:

1. входное дифференциальное сопротивление ,

2. входное сопротивление синфазного сигнала при постоянной частоте входного сигнала,

3. входные токи смещения I_ВХ.СМ.,

4. разность и дрейф входных токов смещения,

5. максимальное входное дифференциальное напряжение U_ВХ.ДИФmax.

Наличие синфазного напряжения на входах ОУ приводит к появлению выходной синфазной ошибки усиления. Влияние синфазного входного напряжения характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который характеризует свойства ОУ различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного сигнала.

С точки зрения выхода ОУ характеризуется выходными параметрами:

1. выходное сопротивление R_ВЫХ(десятки – сотни Ом),

2. максимальное выходное напряжение U_ВЫХ.maxблизко к напряжению питания и может составлять 340 В,

3. максимальный выходной ток I_ВЫХ.maх ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ и составляет десятки мА.

Энергетические параметры ОУ:

1. максимальные потребляемые токи от источников питания Imax,

2. максимальная потребляемая мощность Pmax.

Частотные параметрыОУ определяются по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и фазо-частотной характеристике ОУ (рис.6.21.).

В области высоких частот, начиная от частоты среза f_СР, АЧХ имеет спадающий характер вследствие частотной зависимости параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ.

Частота единичного усиления это частотаf₁, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице.

Граничная частотаf_Вэто частота, которой соответствует снижение коэффициента усиления усилителя враз. По этой частоте оценивают полосу пропускания усилителя. Длч современных усилителей граничная частота составляет величину от десятков кГц до десятков МГц.

Часто АЧХ и ФЧХ строят в логарифмическом масштабе.

Динамические параметры ОУ(скоростные параметры) определяются по реакции ОУ на ступенчатый входной сигнал (рис.6.22.):

1. скорость нарастания выходного напряжения определяется отношением приращения выходного напряжения к времени при изменении выходного напряжения от 0,1U_УСТ до 0,9U_УСТ:,

2. время установления выходного напряжения определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение изменится от 0,1U_УСТ до 0,9U_УСТ.