Введение

С момента появления в начале 60–х годов операционных усилителей

в интегральном исполнении, область их применения необычайно расширилась. Это объясняется тем, что реализация различных электронных уст-ройств с применением ИМС операционных усилителей и компараторов

оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. При существенно меньших габаритах и массе они обладают лучшими, как правило, точностными характеристиками, более просты в настройке, поверке и ремонте.

Создание же цифровых ИМС, сначала простейших, а затем все более

сложных, позволило значительно упростить процессы сбора и обработки

измерительной информации, расширить функциональные возможности

электронных устройств, а появление микропроцессоров и однокристальных микро–ЭВМ, выполняющих сложнейшие математические операции с

высочайшим быстродействием, обеспечивает реализацию практически

любых алгоритмов автоматического управления различными объектами (с

помощью цифро–аналоговых преобразователей) на основе большого объема информации, поступающей от датчиков.

В соответствии с ГОСТ 3940–84, электронная аппаратура

должна обеспечивать работоспособность в диапазоне температур не менее

–40°…+70°, при изменении напряжения питания в пределах 10,8–15 В (при

номинальном Uном=12 В), или в диапазоне от 21,6 до 30 В (при Uном=24 В),

причем иногда устанавливаются и более жесткие рамки: 9–16,5 В, или даже 6–16,5 В (при Uном=12 В), работать при значительном уровне импульсных помех, вызванных коммутациями индуктивных катушек и других узлов бортовой сети, выдерживать кратковременные перенапряжения в системе электроснабжения, достигающие 150 В.

Интегральные микросхемы и электронные устройства на их основе

принято разделять на аналоговые и цифровые по виду сигналов, с которыми

они оперируют (осуществляют преобразование, передачу, измерение).

Как отдельную группу выделяют устройства, обеспечивающие преобразование аналоговых сигналов в цифровые и наоборот.

Наиболее часто на практике приходится иметь дело с аналоговыми и

импульсными сигналами.

Аналоговый сигнал – представляет собой величину, которая в общем

случае может иметь в заданном диапазоне бесконечно большое число значений при бесконечно большом числе моментов времени в определенном

интервале. Как правило, это непрерывно изменяющаяся по определенному

закону величина, хотя в частном случае ее значение может оставаться постоянным в любой момент времени.

Импульсный сигнал – это кратковременное отклонение величины от

некоторого начального уровня, например, нулевого. Понятие «кратковременное отклонение» подразумевает, что импульсный сигнал существует в течение короткого интервала времени, который существенно меньше времени наблюдения, постоянной времени исследуемой электрической цепи или какого–либо другого интервала времени.

1. Общие сведения об операционных усилителях.

Идеальным операционным усилителем (ОУ) называется дифференциальный усилитель постоянного тока, у которого:

а) бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания;

б) бесконечное входное и нулевое выходное сопротивления;

в) бесконечный коэффициент ослабления синфазных сигналов при допустимых уровнях входных сигналов;

г) нулевой шум;

д) нулевые сдвиг нуля, входные токи смещения, а также их дрейф при изменении температуры и времени.

Эти свойства даже теоретически полностью достигнуты быть не могут, поскольку большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры.

Поэтому современный ОУ представляет собой усилитель напряжения постоянного тока, имеющий в частотном диапазоне от нуля до нескольких сотен килогерц коэффициент усиления несколько десятков тысяч, с непосредственной связью между каскадами (без разделительных конденсаторов), высоким входным (несколько мегаом) и малым выходным (несколько десятков ом) сопротивлениями, с низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенных к ним напряжений, т.е. на дифференциальный сигнал.

Термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соответствующими обратными связями применялись для моделирования различных математических операций (интегрирование, суммирование и т.д.). Появление полупроводниковых ОУ в виде интегральных микросхем (ИМС), имеющих относительной низкую стоимость и высокие технические характеристики, привело к тому, что ОУ очень быстро стал наиболее широко применяемой, универсальной ИМС.