2020-09-24
117
Операционный усилитель (ОУ) – универсальный функциональный элемент, используемый в схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения и в аналоговой, и в цифровой технике. Это усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов [1]. На рисунке 1 показано схемное обозначение ОУ.
Рисунок 1. Обозначение ОУ на схемах.
Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двуполярного питания используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.
В качестве источника питания используют двухполярный источник напряжений. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3…±18 В.
Операционными эти усилители называют потому, что такие усилители получили применение для выполнения математических операций - суммирования, дифференцирования, интегрирования, инвертирования сигналов. Разработаны они были как усовершенствованные балансные схемы усиления. В настоящее время функции современных ОУ на интегральных схемах значительно расширились.
Интегральные ОУ можно использовать в качестве инвертирующих и неинвертирующих усилителей, повторителей напряжений; на их основе возможно построение таких устройств, как: дифференциатор, интегратор, сумматор, схемы логарифмирования, антилогарифмирования, деления; дифференциальные усилители (вычитатели), компараторы, фильтры, выпрямители повышенной точности и так далее. Также на интегральных ОУ реализуются схемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, гармонических и релаксационных генераторов, преобразователей ток-напряжение и напряжение-ток, схемы сжатия сигналов.
Структурная схема трёхкаскадного ОУ представлена на рисунке 2 [2] на следующей странице. Первый – входной – каскад выполнен на дифференциальном усилителе, в котором для задания эмиттерного тока транзисторов использована схема «токового зеркала» на транзисторах VT3, VT4.
Рисунок 2. Упрощённая схема трёхкаскадного ОУ.
В настоящее время в мире изготавливается огромное количество интегральных ОУ. Многообразие ОУ можно разделить на группы, объединенные общей технологией, схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками. Проведём классификацию ОУ по разным призракам. Классификация приведена в таблице 2 [7].
Таблица 2. Классификация операционных усилителей.
| Тип элементной базы | ОУ на биполярных транзисторах |
| КМОП (комплементарные полевые транзисторы с изолированным затвором) ОУ | |
| ОУ на электронных лампах (устарели) | |
| Выходные сигналы | Обычные ОУ с одним выходом |
| ОУ с дифференциальным выходом | |
| Входные сигналы | Двухвходовые ОУ |
| Трёхвходовый ОУ | |
| Область применения | Индустриальные (общего применения) |
| Прецизионные | |
| Быстродействующие | |
| Микромощные | |
| Сильноточные (мощные) | |
| Звуковые | |
| Многоканальные | |
| Электрометрические | |
| Специализированные |
Наибольший интерес в этой работе представляют прецизионные ОУ, поскольку они нашли применение в точных измерительных системах, например, научного и медицинского направления. Такие ОУ имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малые дрейфы и шумы, малый входной ток при низком или среднем быстродействии, малое напряжение смещения нуля, которое можно обеспечить либо прерыванием (периодической компенсацией дрейфа), либо применением модуляции-демодуляции.
Операционный усилитель называется идеальным, если имеет следующие свойства [1]:
1. бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению;
2. нулевое напряжение смещения нуля;
3. нулевые входные токи по обоим входам;
4. нулевое выходное сопротивление;
5. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
6. мгновенный отклик на изменение входных сигналов.
Реальные ОУ обладают следующими характеристиками [3]:
