Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называется устрой­ство, предназначенное для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами, имеющее исключи­тельно высокий коэффициент усиления, очень большое входное и малое выходное сопротивление и выполненное в микроэлектронном исполнении.

Операционный усилитель включает в свой состав один или несколько дифференциальных каскадов УПТ, генератор стабильного тока для питания этих каскадов и выходные эмиттерные повторители для увеличения вход­ного и уменьшения выходного сопротивления. В качестве нагрузок каскадов ОУ используют транзисторные источ­ники тока. Так как максимальный номинал резистора в микросхеме обычно не превышает 50 кОм, применяют транзисторы, функционирующие в режиме микротока. В ОУ обычно работают несколько тысяч транзисторов, при этом число каскадов усиления всего 2 или 3, так как в противном случае будет велика склон­ность ОУ к самовозбуждению.

Услов­ное графическое обозначение ОУ показано на рис. 10.4.

Рис. 10.4. УГО ОУ

Выводы опера­ционного уселителя: инвертирующий, неинвертирующий, выводы для подключения двуполярного источника пита­ния и выводы для подключения цепей коррекции.

ОУ подразделяются по следующим признакам:

1. общего применения;

2. мощные;

3. с управляемыми параметрами;

4. быстродействующие;

5. изолирующие - используют для обеспечения галь­ванической развязки каскадов.

Основные параметры ОУ:

1. напряжение источника питания +U и -U. Питание в основном двуполярное, обычно от ± 6 до ± 18 В, наиболее распространенное напряжение питания -+ 12 и ± 15 В;

2. максимальное выходное напряжение - если не оговорено отдельно в справочных данных, его при­нимают меньшим, или равным модулю напряжения питания за вычетом падения напряжения на ОУ, составляющим от 1 до 2 В;

3. сопротивление нагрузки обычно составляет от 1 до 2 кОм;

4. дифференциальный коэффициент усиления по на­пряжению;

5. входное сопротивление ОУ. Входное дифференци­альное сопротивление - входное сопротивление для разностного сопротивления между инвертирующим и неинвертирующим входами. Его величина может достигать от сотен килом до единиц мегом;

6. потребляемый от источника питания ток или пот­ребляемая мощность;

7. входной ток ОУ. Для ОУ, выполненных на биполяр­ных транзисторах, входной ток может составлять единицы микроампер, а для ОУ, выполненных на полевых транзисторах, еще меньше;

8. напряжение смещения, или сдвига - такое напря­жение, которое нужно подать на входы ОУ, чтобы при отсутствии сигнала на входах выходное напряжение ОУ было равно 0. Величина напряжения сдвига нахо­дится в диапазоне от 3 до 10 мВ для входного каскада на биполярных транзисторах и от 30 до 100 мВ для входного каскада на полевых транзисторах;

9. выходное сопротивление ОУ обычно составляет не­сколько сотен ом и указывается в справочниках;

10. коэффициент ослабления синфазного сигнала для ОУ обычно составляет от 70 до 80 дБ;

11. скорость нарастания выходного напряжения пока­зывает быстродействие ОУ (рис.10.5) и находится по формуле

K_п = ΔU_вых/Δt [В/мкС].

Рис. 10.5. Нарастание выходного напряжения

В технической литературе встречается УГО ОУ, изображенное на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Устаревшее УГО ОУ

Так как ОУ имеет очень большой коэффициент уси­ления и достаточно сложное внутреннее устройство, при работе на определенных частотах возможно появление нежелательных фазовых сдвигов, приводящих к обра­зованию положительных ОС и, как следствие, к само­возбуждению усилителя. Для устранения этих возмож­ностей применяются цепи коррекции g, представляющие различные RС-цепочки. Цепи коррекции могут быть как внешними, т. е. при помощи навесных элементов, так и внутренними, т. е. внутри корпуса микросхемы, причем цепи коррекции разрабатываются на этапе проектиро­вания ОУ и являются индивидуальными для каждого конкретного типа ОУ.