11.5. Устройство операционных усилителей

Современные ОУ выполняются в виде трех- или двухкаскадных усилителей, ибо однокаскадный усилитель не позволяет получить большой коэффициент усиления. Входным каскадом ОУ служит дифференциальный каскад с большим коэффициентом усиления парафазного сигнала, сравнительно большим входным сопротивлением и сильным ослаблением синфазного сигнала, а так же он должен быть мало чувствительным к изменению напряжения источника питания, температуры и других дестабилизирующих факторов.

Промежуточный каскад осуществляет усиление напряжения и тока ОУ и является согласующим устройством между входным и оконечным каскадами и уменьшает напряжение покоя на выходе ОУ до нуля. А так как ОУ является усилителем с непосредственной связью, то постоянная составляющая возрастает от входа к выходу и промежуточный каскад уменьшает постоянную составляющую до нуля. В промежуточных каскадах для увеличения коэффициента усиления по напряжению часто используются динамические нагрузки, причем каскады могут строится как по симметричной, так и по несимметричной схеме. Оконечный каскад ОУ должен обладать сравнительно большим входным сопротивлением, чтобы не нагружать промежуточный каскад, и малым выходным сопротивлением. Ток и напряжение оконечного каскада должны быть такой величины, чтобы питать предполагаемую нагрузку. Выполнить требования, предъявляемые к оконечным каскадам ОУ, можно только с помощью эмиттерных или истоковых повторителей. Однотактные эмиттерные и истоковые повторители имеют низкий КПД, что приводит к значительному выделению тепла в транзисторе. В связи с этим в оконечных каскадах преимущественно применяются двухтактные эмиттерные или истоковые повторители, выполненные на комплементарной паре транзисторов, работающих в режимах АВ или В. Тем самым удается уменьшить потери в транзисторе и повысить КПД оконечного каскада.

По схемотехническому исполнению ОУ подразделяются на устройства прямого усиления и с преобразованием спектра частот усиливаемого сигнала, основанного на преобразовании медленно изменяющегося напряжения в переменное напряжение основной частоты. Поскольку в устройствах современной электроники в основном применяются ОУ без преобразования сигнала, то они и будут в дальнейшем рассматриваться.

По применению ОУ классифицируются на:

– ОУ общего применения предназначены для использования в аппаратуре, имеющей суммарную погрешность на уровне 1 %, а характеристики ОУ удовлетворяют предъявляемым требованиям. У них полностью отсутствуют или имеется малое число дополнительных внешних компонентов, частота единичного усиления не высока (порядка 1 МГц);

– прецизионные ОУ обладают малым напряжением смещения нуля, малыми шумами, большим коэффициентом подавления синфазного сигнала и большим коэффициентом усиления при отсутствии цепи ОС;

– микромощные ОУ характеризуются малым потреблением мощности от источников питания;

– быстродействующие ОУ характеризуются высоким значением частоты единичного усиления (порядка 10 МГц) и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала.

Однако ОУ специально создан для использования в схемах с глубокой ОС так, чтобы параметры устройства преимущественно определялись параметрами цепи ОС, а сам ОУ должен быть функционально незаменим. Такой ОУ по своим параметрам приближается к идеальному.

Идеальный ОУ описывается следующими параметрами: бесконечными коэффициентом усиления, входным сопротивлением, полосой пропускания, скоростью нарастания выходного напряжения, коэффициентом ослабления синфазного сигнала, быстродействием и нулевыми выходным сопротивлением, напряжением смещения, разностью входных токов, нестабильностью уровня выходного напряжения, температурным дрейфом входного тока.

На практике ни один из параметров идеального ОУ не может быть реализован, однако к параметрам идеального усилителя можно приблизиться с достаточной точностью. В частности, интегральный ОУ – это усилитель напряжения. Согласно терминологии принятой в теории цепей, его обозначение – источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН).

На практике в большинстве случаев операционный усилитель используется с обратной связью. Применение отрицательной обратной связи позволяет увеличить входное сопротивление R_вх, уменьшить R_вых, уменьшить искажения и увеличить стабильность и точность, с которой задается коэффициент усиления.

Если ОУ охвачен положительной обратной связью, то может возникнуть самовозбуждение автоколебаний. Усилитель превращается в генератор и все параметры ОУ ухудшаются по сравнению с ОУ с ООС.

В электрических схемах ОУ обозначается прямоугольником, в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи сигнала. Оба входа ОУ располагаются с левой, а выход с противоположной стороны прямоугольника.

Инвертирующий вход обозначается кружочком или знаком минус, неинвертирующий вход – знаком плюс.

Практическое использование ОУ часто не требует знания внутренней структуры усилителя. Изучение принципа действия основных функциональных и схемотехнических особенностей узлов позволяет определить предельные технические возможности ОУ и корректировать его характеристики и параметры с помощью внешних устройств.

Внутреннюю структуру ОУ рассмотрим на примере ОУ общего применения.