Операционные усилители

Термин «операционный усилитель» относится к усилителям постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных выхода) и один общий выход (один вывод). Название этих усилителей связано с первоначальным их применением главным образом для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). Однако благодаря достижениям в области микроэлектроники и широкому выпуску операционных усилителей в интегральном исполнении открылись их более широкие схемотехнические возможности. В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Они применяются усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, и стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т. д. Условное обозначение ОУ показано на рис.1. Один из входов усилителя называется неинвертирующим, а второй - инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто исполь­зуют для введения в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обыч­но служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность осей схемы.

Для иллюстрации рассмотрим принципиальную схему простейшего трехкаскадного ОУ, приведенную на рис. 2. (микросхема 140УД1). Питание схемы осуществляется от двух источников с одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку Е_к.

Входной усилительный каскад выполнен на транзисторах T₁, Т₂ по дифференциальной схеме. Выходы первого каскада связаны с входами второго каскада на транзисторах Т₅, Т₆ также но дифференциальной схеме. Резистор в цепи коллектора транзистора Т₅ отсутствует, так как выходной сигнал второго каскада снимается только с коллектора транзистора Т₆, Источник стабильного тока во втором дифференциальном каскаде не используется. Требуемая ста­бильность суммарного тока I_э транзисторов Т_5, Т₆ достигается с по­мощью резистора R_э=R₅. Падение напряжения на резисторе R₅ от протекания тока I_э обоих транзисторов повышает потенциал их эмиттеров, что необходимо для непосредственной связи баз транзис­торов с выходами предыдущего каскада.

Третий усилительный каскад выполнен на транзисторах Т₇,Т₈. Выход егo связан с входом транзистора Т₉, на котором реализован выходной эмиттерный повторитель. Построение третьего усилитель­ного каскада таково, что транзисторы Т₇,Т₈ представляют собой как бы управляемые элементы входного делителя эмиттерного пов­торителя. Управление транзистором Т₇ производится по цепи базы выходным сигналом второго каскада, управление, транзистором Т₈ — по цепи эмиттера напряжением на резисторе R₁₂ создаваемым от протекания через этот резистор тока эмиттера транзистора Т₉. Тран­зистор Т₈ входит в контур положительной обратной связи, позво­ляющей обеспечить высокий коэффициент усиления третьего каскада. Совместное действие транзисторов Т₇,Т₈ направлено либо на уве­личение, либо на уменьшение (в зависимости от сигнала на входе транзистора Т₆) входного напряжении эмиттерного повторителя, т, е. потенциала базы транзистора Т₉ относительно шипы —Е_к2. По­вышение напряжения на базе транзистора Т₉ обусловливается умень­шением сопротивления постоянному току транзистора Т₇ а также увеличением сопротивления транзистора Т₈ и наоборот.

Операционные усилители характеризуются усилительны­ми, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными, скоростными па­раметрами. Рассмотрим наиболее существенные из них.

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитуд­ные (передаточные) характеристики (рис. 3). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклон­ного участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного сигнала на этих участках вы­ходное напряжение усилителя остает­ся без изменения.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональ­ная зависимость выходного напря­жения от входного. Угол наклона участка определяется коэффи­циентом усиления К_иоу = U_вых/U_вх операционного усили­теля. Значение К_иоу зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения. К_иоу позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифферен­циальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые, в свою очередь, зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Инвертирующий усилитель. Инверти­рующий усилитель (рис. 4), изменяю­щий знак выходного сигнала относи­тельно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помо­щью резистор R_ос параллельной отрица­тельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁ на инвертирующий вход ОУ.

Показатели схемы можно определить, воспользовавшись урав­нением токов для узла 1 Если принять R_вхoy =¥ и входной ток ОУ I_оу = 0, тоI_вх= I_ос, откуда

При К_uоу®¥ напряжение на входе ОУ U_o= U_вых/ К_uоу®¥, в связи с чем выражение принимает вид

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инверти­рующего усилителя с параллельный обратной связью Кии= U_вых / U_вх определяется параметрами только пассивной части схемы:

Выбор R_ос=R₁, когда Кии= - 1, придает схеме на рис.4 свой­ство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала.

Вы­ходное сопротивление усилителя

при Киоу ®¥ близко к 0.

Неинвертирующий усилитель. Неинвертирующий усилитель (рис. 5) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, поданную по инвертирующему входу; входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

В силу равенства нулю напряжения между входами ОУ (u₀ =0) входное напряжение схемы связано с выходным напряжением соот ношением

откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

При r _ос=0и R₁₌ ¥ приходим к схеме повторителя (рис. 6) с Ки = 1.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R_вх, равное входному сопротивлению ОУ по неинвертирующему входу, велико; выходное сопротивление R_вых®0. Его находят из соотношения

Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.