10.16. Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) представляют собой разновидность усилителей постоянного тока (см. рис. 10.45, а). Свое название «операционные» усилители этого типа получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и т.д.). В настоящее время ОУ применяются при создании электронных устройств самого различного функционального назначения (стабилизаторов напряжения, генераторов сигналов различной формы и т.д.). Операционные усилители выполняют многокаскадными с непосредственными связями. На входе ОУ включается дифференциальный усилительный каскад постоянного тока для уменьшения дрейфа нуля часто на полевых транзисторах для увеличения входного сопротивления, затем — промежуточные усилительные каскады для получения необходимого усиления и на выходе — повторитель напряжения для уменьшения выходного сопротивления. Разработка ОУ — сложная проблема. Однако это не затрудняет их практического применения, так как они изготовляются в виде интегральных схем.

Реальный операционный усилитель. Подобно схеме замещения дифференциального усилительного каскада (см. рис. 10.60), входную и выходную цепи ОУ в режиме малого синусоидального сигнала удобно представить схемами замещения (рис. 10.61), элементы которых отражают основные параметры операционного усилителя:

R_{вх ОУ}=10⁴-10¹⁰ Ом (10.27, а)

— входное сопротивление;

R_{вых ОУ}=10-50 Ом

— выходное сопротивление;

_{u x ОУ}=К_{u x ОУ} (10.27, б)

— комплексный коэффициент усиления напряжения (разности потенциалов) между неинвертирующим и инвертирующим входами режиме холостого хода (R_н=∞), модуль которого при угловой частоте ω=0 имеет значение

К_{u x ОУ} . (10.27, в)

При равенстве постоянных напряжений U_вх._ни=U_вх.и напряжение на выходе ОУ имеет малое, но не нулевое, значение, которое определяет коэффициенты усиления и ослабления синфазных напряжений

К_{u сф.x ОУ}(0)=U_вых.х/U_вх.ни=2—5;

К_ос.сф=20 lg [К_{u сф.x ОУ}(0)/ К_{u x ОУ}(0)]=-(50-100), дБ.

Значения входного сопротивления R_{вх ОУ}, коэффициента усиления напряжения ОУ при нулевой частоте в режиме холостого хода К_{u x ОУ}(0) и коэффициента ослабления синфазных напряжений К_ос.сф указываются в справочниках.

Узел 0 с нулевым потенциалом в схеме замещения выходной цепи ОУ соответствует эквипотенциальной точке 1 цепи питания. На рис. 10.62, а и б приведены условные обозначения ОУ, на которых инвертирующий вход отмечен окружностью, а на рис. 10.62, в — типовое конструктивное оформление.

Вследствие больших значений коэффициентов усиления напряжения в цепях интегральной схемы ОУ могут возбуждаться автоколебания высокой частоты. Для их устранения применяют различные способы компенсации, обычно на основе RС-цепей.

Усилительные свойства ОУ определяют его передаточные и частотные характеристики при разомкнутой цепи нагрузки.

Передаточные характеристики ОУ определяют зависимости напряжения на его выходе от напряжений на инвертирующем входе U_вых.х(U_вх.и) при напряжении U_вх.ни=0 и неинвертирующем входе U_вых.х(U_вх.ни) при напряжении U_вх.и=0 в режиме постоянного тока (рис. 10.63, а — зависимости 1 и 2).

Д ля типового значения ЭДС источника питания Е=10 В насыщение транзистора выходного каскада с учетом (10.27, в) произойдет при U_вх.нас≈Е/К_{и х ОУ}(0) =±(0,1—1) мВ. Дальнейшее увеличение напряжения U_вх не вызывает изменения напряжения на выходе. Режим работы ОУ при напряжении U_вх.нас>U_вх>(U_вх.нас) называется линейным, а при напряжении U_вх.нас<U_вх<(U_вх.нас) — нелинейным.

Максимальное постоянное напряжение на выходе ОУ U_{вых max} при номинальном напряжении питания указывается в справочниках.

Логарифмическая амплитудночастотная характеристика ОУ (рис. 10.64) подобна ЛАЧХ сглаживающего RС фильтра (см. рис. 4.5, в) и биполярного транзистора (см. рис. 10.20). Аналогично последней на ЛАЧХ операционного усилителя различают граничную частоту f_{гр ОУ}, при которой коэффициент усиления напряжения ОУ уменьшается относительно его значения при нулевой частоте К_{и х ОУ}(0) в , или 0,707 раз, а величина 20 lg К_{и х ОУ} — на 20 lg =3 дБ, и частоту единичного усиления f₁, при которой коэффициент усиления напряжения ОУ К_{и х ОУ} =1.

Приближенно комплексный коэффициент усиления напряжения ОУ в режиме холостого хода (10.27, б) определяется зависимостью аналогичной (4.11)

_{u x ОУ}=К_{u x ОУ} ;

_{u x ОУ}=К_{u x ОУ} . (10.28)

Значение частоты единичного усиления f₁ указывается в справочниках.

Кроме отмеченных в справочниках указываются значения параметров ОУ (табл. 10.8):

постоянного наибольшего напряжения смещения на входе U_см при напряжении на выходе равном нулю;

постоянных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_{вх ОУ} и разность этих токов ΔI_{вх ОУ};

номинальных напряжения ±Е и тока I_пит питания;

минимально допустимого сопротивления цепи нагрузки R_н.

Таблица 10.8

Параметры некоторых типов операционных усилителей

Параметр	Тип операционного усилителя
	К140УД6	К140УД7	К140УД17	К140УД8
± Е, В	±15	±15	±15	±15
Iпит, мА	3	2,8	5	5
Iвх ОУ, нА, не более	50	400	10	0,2
ΔIвх ОУ, нА, не более	15	200	5	0,1
Rн, кОм, не менее	1	2	2	2
Uвых max, В	±12	±10,5	12	10
f1, МГц	1	0,8	0,4	1
Кос.оф, дБ	70	70	100	70
Ки х ОУ(0), не менее	30 000	30 000	200 000	50 000
Uсм, мВ, не более	±8	±9	±0,25	±50
Rвх ОУ, МОм, не менее	1	0,4	30	10

Идеальный операционный усилитель. Пренебрегая малым значением напряжения насыщения U_вх.нас реального ОУ, введем понятие идеального ОУ, у которого коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода, входное и выходное сопротивления не зависят от частоты и имеют значения

(10.29, а)

т.е. напряжение, равное разности потенциалов между неинвертирующим и инвертирующим входами, и ток на входе идеального ОУ в линейном режиме работы равны нулю

(10.29, б)

а его передаточные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам при любом сопротивлении цепи нагрузки R_н>0 имеют вид ломаных линий 1 и 2 на рис. 10.63, б.

В нелинейном режиме работы идеального ОУ напряжение u_{вх ОУ}≠0, а ток i_вхОУ=0.

В дальнейшем под напряжением на входе ОУ будем понимать как u_{вх ОУ}=ν_ни-ν_и так и u_{вх ОУ}=ν_и-ν_ни, указывая на схемах соответствующее положительное направление напряжения стрелкой.

Если ОУ применяется в линейном режиме работы, то будем пользоваться его условным обозначением на рис. 10.62, а, если также и в нелинейном режиме, то — обозначением на рис. 10.62, б. Схема на рис. 10.62, б поясняет равенство напряжений на выходе идеального ОУ в режиме насыщения и источников питания Е или -Е.