10.6. Операционный усилитель

10.6.1. Структурная схема и параметры

Операционным усилителем ОУ называют высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенным для работы в схемах с обратной связью. Название усилителя связано с первоначальным применением – выполнением различных математических операций с аналоговыми сигналами (суммирование, вычитание, логарифмирование, интегрирование, дифференцирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют многофункциональную роль в разнообразных устройствах. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерирования, стабилизации сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечно большую полосу пропускания.

На рис. 10.18,а приведено условное упрощенное графическое обозначение ОУ без выводов для подключения источников питания, без общей шины и внешних элементов, а на рис. 10.18,б – с некоторыми из этих выводов.

Современные ОУ имеют, как правило, три структурных элемента (рис. 10.19): входной дифференциальный каскад (ДК), промежуточный усилительный каскад (ПУК) и выходной каскад (ВК). Между каскадами существует непосредственная связь (без конденсаторов), т.е. ОУ является усилителем постоянного напряжения (тока). Применение на входе почти всех ОУ дифференциального каскада приводит к повышению стабильности выходного потенциала ОУ (из-за очень малого уровня дрейфа) и расширению функциональных возможностей. В случае ОУ с низким коэффициентом усиления промежуточный каскад не предусматривается. В ОУ с большим коэффициентом усиления используются промежуточные каскады ПУК, также представляющие собой дифференциальные каскады, но с однотактным выходом.

Выходной каскад является усилителем мощности и предназначен для согласования усилителя с нагрузкой. В качестве ВК обычно используется эмиттерный повторитель, имеющий низкое выходное сопротивление. Однако этот выходной каскад при отсутствии сигнала потребляет значительную мощность. Для уменьшения последней ВК изготовляют по двухтактной схеме на основе комплементарных биполярных транзисторов.

В ОУ предусматривается схема сдвига уровня потенциала, обеспечивающая согласование каскадов и установку на выходе при отсутствии сигнала постоянного потенциала, равного потенциалу входа ОУ.

Ниже приведены названия и обозначения параметров интегральных ОУ без внешней обратной связи. Число параметров, приводимых в справочниках, зависит от типа ОУ. Ниже для примера представлены числовые значения параметров ОУ 153УД1.

Коэффициент усиления по напряжению ................... (20...80)·10³