6. Операційні підсилювачі

6.1. Загальних відомостей

Операційним підсилювачем (ОУ) прийнято називати інтегральний підсилювач постійного струму з диференціальним входом і двотактним виходом, призначений для роботи з ланцюгами зворотних зв'язків. Назва підсилювача обумовлена первинною областю його застосування - виконанням різних операцій над аналоговими сигналами (складання, віднімання, інтеграція і ін.). В даний час ОУ виконують роль багатофункціональних вузлів при реалізації різноманітних пристроїв електроніки різного призначення. Вони застосовуються для посилення, обмеження, перемножування, частотної фільтрації, генерації, стабілізації і так далі сигналів в пристроях безперервної і імпульсної дії.

Необхідно відзначити, що сучасні монолітні ОУ по своїх розмірах і ціні трохи відрізняються від окремих дискретних елементів, наприклад, транзисторів. Тому виконання різних пристроїв на ОУ часто здійснюється значно простішим, ніж на дискретних елементах або на підсилювальних ІМС.

Ідеальний ОУ має нескінченно великий коефіцієнт посилення по напрузі ( ), нескінченний великий вхідний опір, нескінченний малий вихідний опір, нескінченно великий КОСС і нескінченно широку смугу робочих частот. Природно, що на практиці жодне з цих властивостей не може бути здійснене повністю, проте до них можна наблизитися в достатній для багатьох областей мірі.

На малюнку 6.1 приведено два варіанти умовних позначень ОУ - спрощений (а) і з додатковими виводами для підключення ланцюгів живлення і ланцюгів частотної корекції (б).

На основі вимог до характеристик ідеального ОУ можна синтезувати його внутрішню структуру, представлену на малюнку 6.2.

Спрощена електрична схема простого ОУ, що реалізовує структурну схему малюнка 6.2, показана на малюнку 6.3.

Данная схема содержит входной ДУ ( и ) с токовым зеркалом ( и ), промежуточные каскады с ОК ( ) и с ОЭ ( ), и выходной токовый бустер на транзисторах и . ОУ может содержать цепи частотной коррекции ( ), цепи питания и термостабилизации ( , и др.), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала. С целью получения высокого входного сопротивления входной ДУ может быть выполнен на ПТ. Следует отметить большое разнообразие схемных решений ОУ, однако основные принципы их построения достаточно полно иллюстрирует рисунок 6.3.

6.2. Основних параметрів і характеристики оу

Основним параметром ОУ коефіцієнт посилення по напрузі без зворотного зв'язку званий також повним коефіцієнтом посилення по напрузі. В області НЧ і СЧ він іноді позначається і може досягати декількох десятків і сотень тисяч.

Важливими параметрами ОУ є його точностные параметри, визначувані вхідним диференціальним каскадом. Оскільки точностные параметри ДУ були розглянуті в підрозділі 5.5, то тут обмежимося їх перерахуванням:

 напруга зсуву нуля ;

 температурна чутливість напруги зсуву нуля ;

 струм зсуву ;

 середній вхідний струм .

Вхідні і вихідні ланцюги ОУ представляються вхідним і вихідним опорами, що приводяться для ОУ без ланцюгів ООС. Для вихідного ланцюга даються також такі параметри, як максимальний вихідний струм і мінімальний опір навантаження а іноді і максимальна ємкість навантаження. Вхідний ланцюг ОУ може включати ємкість між входами і загальною шиною. Спрощені еквівалентні схеми вхідного і вихідного ланцюга ОУ представлені на малюнку 6.4.

Серед параметрів ОУ слід зазначити КОСС і коефіцієнт ослаблення впливу нестабільності джерела живлення Ковнп= . Обидва цих параметра в сучасних ОУ мають свої значення в межах (60.120) дБ.

До енергетичних параметрів ОУ відносяться напруга джерел живлення Е, струм споживання (спокою) і споживана потужність. Як правило складає десяті долі - десятки міліампер, а споживана потужність, однозначно визначувана одиниці - десятки милливатт.

До максимально допустимих параметрів ОУ відносяться:

 максимально можлива (неспотворене) вихідна напруга сигналу (зазвичай трохи менше Е);

 максимально допустима потужність розсіювання;

 робочий діапазон температур;

 максимальна напруга живлення;

 максимальна вхідна диференціальна напруга і ін.

До частотних параметрів відноситься абсолютна гранична частота або частота одиничного посилення ( ), тобто частота, на якій . Іноді використовується поняття швидкості наростання і часу встановлення вихідної напруги, визначувані по реакції ОУ на дію стрибка напруги на його вході. Для деяких ОУ приводяться також додаткові параметри, що відображають специфічну область їх застосування.

Амплітудні (передавальні) характеристики ОУ представлені на малюнку 6.5 у вигляді двох залежностей для інвертуючого і неінвертуючого входів.

Коли на обох входах ОУ то на виході буде присутня напруга помилки визначуване точностными параметрами ОУ (на малюнку 6.5 не показано зважаючи на його трохи).

Частотні властивості ОУ представляються його АЧХ, виконаною в логарифмічному масштабі . Така АЧХ називається логарифмічною (ЛАЧХ), її типовий вигляд приведений на малюнку 6.6 (для ОУ К140уд10).

Частотну залежність можна представити у вигляді:

.

Тут постійна часу ОУ, яка при визначає частоту сполучення (зрізу) ОУ (див. малюнок 6.6); .

Замінивши у виразі для на отримаємо запис ЛАЧХ:

.

На НЧ і СЧ тобто ЛАЧХ є прямою, паралельною осі частот. З деяким наближенням можемо вважати, що в області ВЧ спад відбувається із швидкістю 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тоді при >> можна спростити вираз для ЛАЧХ:

.

Таким чином, ЛАЧХ в області ВЧ представляється прямою лінією з нахилом до осі частот 20дБ/дек. Точка перетину розглянутих прямих, представляючих ЛАЧХ, відповідає частоті сполучення ( ). Різниця між реальною ЛАЧХ і ідеальною на частоті складає порядку 3дБ (див. малюнок 6.6), проте для зручності аналізу з цим миряться, і такі графіки прийнято називати діаграмами Боді.

Слід відмітити, що швидкість спаду ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скоректованих ОУ із зовнішньою або внутрішньою корекцією, основні принципи якої будуть розглянуті нижче.

Для скоректованого ОУ можна розрахувати на будь-якій частоті f як а .

На малюнку 6.6 представлена також логарифмічна ФЧХ (ЛФЧХ), що є залежністю фазового зрушення  вихідного сигналу щодо вхідного від частоти. Реальна ЛФЧХ відрізняється від представленої не більше ніж на 6. Відзначимо, що і для реального ОУ =45 на частоті а на частоті - 90. Таким чином, власне фазове зрушення робочого сигналу в скоректованому ОУ в області ВЧ може досягти 90.

Розглянуті вище параметри і характеристики ОУ описують його за відсутності ланцюгів ООС. Проте, як наголошувалося, ОУ практично завжди використовується з ланцюгами ООС, які істотно впливають на всі його показники.