2.7. Операционные усилители и их применение

2.7.1. Общие сведения

Операционные усилители (ОУ) – это усилители, как правило, интегрального исполнения, обладающие большим коэффициентом усиления по напряжению. ОУ имеет пять основных выводов, рис.2.92: инвертирующий вход (-); неинвертирующий вход (+); выход; два вывода для подключения источника питания.

Рис. 2.92. Подключение ОУ к источнику питания и нагрузке

Питание ОУ в большинстве случаев производится от двухполярного источника.

Выходное напряжение ОУ определяется по формуле:

U_вых = Е_д К,

где Е_д = U_вх⁺ - U_вх^- - разность потенциалов неинвертирующего и инвертирующего входов ОУ (дифференциальное напряжение);

К – коэффициент усиления по напряжению ОУ, не охваченного обратной связью.

Это справедливо как при заземлении одного из входов, так и в случае, когда ни один из входных потенциалов не равен потенциалу земли.

Для ОУ характерно:

- высокое сопротивление между инвертирующим и неинвертирующим входами;

- высокое сопротивление между каждым из входов и землей.

Очевидно, что полярность выходного напряжения зависит только от знака Е_д (К – положительная величина). Выходная характеристика U_вых = F(Е_д) линейна в некотором диапазоне изменения дифференциального напряжения - Е_{д макс.} + Е_{д макс.}. За пределами линейного участка данной характеристики выходное напряжение остается постоянным и определяется только типономиналом ОУ и величиной напряжения источника питания (+U_п и –U_п), рис.2.93. Напряжение насыщения ОУ (-U_нас и +U_нас) несколько меньше напряжения источника питания.

Рис.2.93. Выходная характеристика операционного усилителя

Определим диапазон изменения дифференциального напряжения ‑ Е_дмакс … + Е_{д макс.}. Пусть при напряжении источника питания около 15В напряжение насыщения равно примерно 13 В (-U_нас = -13В и +U_нас = +13В). Допустим, что коэффициент усиления по напряжению ОУ К=200 000. Тогда

 Е_{д макс.} = = = 65 мкВ.

Это очень малая величина напряжения. Измерение таких малых напряжений с помощью обычных милливольтметров сопряжено со значительными трудностями. Обычные ЭДС наводок в соединительных проводах могут превосходить эту величину на порядок и более. Поэтому можно считать данную величину напряжения примерно равной нулю. Отсюда следует важное правило, справедливое для идеального ОУ.

Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (U_вых  -U_нас и U_вых  +U_нас), то разность напряжений между его входами равна нулю.

Как уже отмечалось ранее, ОУ обладает высоким сопротивлением со стороны своих входов. Примем без дополнительного обоснования второе важное правило, справедливое для идеального ОУ.

Правило 2. Входы операционного усилителя тока не потребляют.

Идеальный и реальный оу

Для идеального операционного усилителя кроме этого справедливо:

- Коэффициент усиления дифференциального сигнала К бесконечно велик для любой частоты усиливаемого сигнала;

- Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) К_синф равен нулю;

- Отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения;

- Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика;

- Температурный и временной дрейфы выходного напряжения отсутствуют.

Для реального ОУ в ряде случаев необходимо учитывать, что:

- Его коэффициент усиления ограничен и с ростом частоты сигнала уменьшается (правило 1 справедливо не всегда);

- Через входные электроды протекают небольшие токи смещения транзисторов, образующих входной дифференциальный каскад ОУ (причем эти токи не равны друг другу);

- К_синф больше нуля (в то же время К_синф много меньше К);

- Существует сдвиг выходного напряжения, обусловленный некоторым разбалансом входного дифференциального каскада (из-за разброса параметров транзисторов);

- Выходное напряжение «уходит» при изменении температуры.