Операционный усилитель

2.3.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие параметры:

- коэффициент усиления по напряжению ;

- входное сопротивление ;

- выходное сопротивление .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 2.4.

Здесь:

вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;

выход – однотактный;

+Е_п и ‑Е_п – ‑ выводы двух источников питания Е_п или двуполярного источника.

Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.

Характеристики реальных ОУ немного отличаются от идеальных.

Коэффициент усиления – важнейший количественный показатель работы любого усилителя. Коэффициент усиления напряжения К_u=U_вых/Uвых; коэффициент усиления тока К_i=I_вых /I_вх; коэффициент усиления мощности .

Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов .

Коэффициент усиления К выражается безразмерной величиной либо в децибелах (дБ), так как человеческое ухо различает разницу уровня звука на 1 дБ ‑ на величину, пропорциональную логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии. .

Коэффициент усиления К является комплексной величиной, так как выходной сигнал отличается от входного по фазе.

В общем виде, например, для напряжения

где К – модуль , ‑ разность фаз входного и выходного сигнала.

Основные параметры реальных ОУ:

а) коэффициент усиления дифференциального сигнала

;

б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;

в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах ;

г) входное сопротивление R_вх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);

д) выходное сопротивление R_вых = 20 ¸2000 Ом;

е) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – – зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на рисунке 2.5,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, т.е. на минус 20 дБ.

Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);

ж) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты (см. рисунок 2.5,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус . ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.

Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;

и) ‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 2.6.

Обычно ;

л) если при U_вх = 0 также и U_вых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется при U_вх = 0 (см. рисунок 2.7);

м) U _{вх смещ нуля} или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Оно примерно равно 1...3 мВ;

н) разность входных токов ‑ 5…50 нА.

2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель.

2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель

Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 2.8. Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT₁ ¸ VT₄. Основные транзисторы VT₁ и VT₂ – p-n-p -типа. Динамическая нагрузка (транзисторы VT₃ и VT₄ ‑ n-p-n -типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ ₁ в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения.

Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.

Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT₅ и VT₆ по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ₂. Емкость С_К»30 pF ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD₁ и VD₂ для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.

В выходной каскад входят: комплементарная паратранзисторов VT₇ (n-p-n -типа)и VT₈ (p-n-p -типа), диоды VD₁ и VD₂, генератор стабильного тока ГСТ₂,транзистор VT_6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ₂, VD₁, VD₂ и VT_6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT₇ и VT₈. Причем. . Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD₁ и VD₂. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.

При отсутствии сигнала на входе ОУ U_ВХ = 0 ток через нагрузку I_Н = 0. Через транзисторы VT₇ и VT₈ течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс U_VD1 на транзисторе VT₇ и минус U_VD2 – на транзисторе VT₈. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT₆ за счет источников напряжения питания + Е_п1 и ‑ Е_п2 нааноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT₇ и VT₈ открыты поочередно. При подаче с коллектора VT₆ положительного перепада напряжения транзистор VT₈ запирается, а VT₇ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п1, кэ_VT7, R_н, ‑ Е_п1. При подаче с коллектора VT₆ отрицательного перепада напряжения транзистор VT₇ запирается, а VT₈ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п2, R_н, кэ_VT8, ‑ Е_п2.