1. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Ранее такие усилители использовали главным образом в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т.д.). Это объясняется происхождение термина «операционный». В настоящее время очень широко используются операционные усилители в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т.д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Оказалось, что операционные усилители очень удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко используются на практике.

Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15В и -15В).

Приведем один из вариантов условного графического обозначения операционного усилителя показанный на рис 1.1.. в ней обозначение общего вывода эквивалентно «ноль вольт».

Рис. 1.1. Схема инвертирующего усилителя

Часто на схемах выводы питания +U, -U и 0V не указывают и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис 1.2.).

Рис 1.2.

Операционный усилитель имеет передаточную характеристику – вида где f – некоторая функция. Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называется режимом насыщения.

В приближенных расчетах считают, что в режиме насыщения выходной сигнал может иметь два значения: или

В основе схемы операционного усилителя лежит дифференциальный усилительный каскад (рис 1.3.):

Рис 1.3.. Схема дифференциального усилителя

Два идентичных транзистора Т₁ и Т₂ и резисторы R₁ и R₂ образуют два транзисторных усилителя, включенных симметрично. Отношение резисторов коллекторной цепи должно быть постоянным. У дифференциального усилителя есть два входа (Вх1, Вх2) и два выхода (Вых1, Вых2). При подаче на входы дифференциального усилителя одинаковых сигналов напряжение на входах практически не меняется.

Разность напряжений, формируемых на входах (базах транзисторов Т₁ и Т₂) называют дифференциальным входным сигналом, а полусумму этих напряжений – синфазным входным сигналом:

U_вх=U₁-U₂

U_вх.сф=(U₁+U₂)/2

Выходным сигналом дифференциального усилителя является напряжение между коллекторами транзисторов. В идеальном дифференциальном усилителе дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнимо большим. Симметрия не меняется при синфазном изменении U₁ и U₂ – дифференциальный усилитель нечувствителен к синфазному сигналу. Появление на входе дифференциального сигнала приводит к нарушению симметричного режима работы усилителя. Сигнал на входе дифференциального усилителя пропорционален разности входных токов.

I=I₂-I₁

Синфазная составляющая входного сигнала определяется как часть входного тока, которая одинакова для каждого входа дифференциального каскада или

I_c=(I₁+I₂)/2 Тогда

I₁=I₀-I/2

I₂=I_e+I/2

Наиболее важными параметрами дифференциального усилителя являются:

коэффициент усиления K_U=dU_вх/dU_вых и входное сопротивление R_вх=dU_вых/d(I)

Для стандартных биполярных операционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько наноампер.