Назначение операционных усилителей

Операционные усилители (ОУ) вследствие своей чувствительности и возможности многофункционального использования нашли широкое применение в электронной аппаратуре. ОУ называют линейный преобразователь, при помощи которого можно осуществить различные математические операции - суммирование, вычитание, логарифмирование, интегрирование, дифференцирование и др. Это и определило название таких усилителей - операционные (решающие), на основе которых путем введения обратных связей можно реализовать математические операции. ОУ представляет собой специальный усилитель постоянного тока. Для повышения точности выполняемых математических операций необходимо, чтобы ОУ имел следующие основные параметры:

- возможно больший коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи;

- высокую стабильность характеристик, в особенности постоянство коэффициента усиления;

- большое входное сопротивление и малое выходное.

Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, удовлетворяющие вышеизложенным требованиям. По своему назначению, по характеру применения и использования ИОУ следует отнести к классу аналоговых интегральных микросхем универсального назначения. Принципиальные электрические схемы ОУ весьма разнообразны. Хотя число соответствующих им структурных схем невелико и определяется областью применения, числом входов, способом компенсации дрейфа нуля.

ИОУ обычно состоят из входного каскада, каскадов усиления, схемы сдвига потенциального уровня и выходного каскада, образующих усилитель с непосредственными связями между каскадами. Почти во всех выпускаемых ИОУ на входе включается дифференциальный каскад, применение которого приводит к повышению стабильности параметров благодаря низкому уровню дрейфа и расширению функциональных возможностей из-за наличия двух входов (инвертирующего и неинвертирующего).

Для обеспечения большого значения коэффициента усиления предусматривается, кроме входного дифференциального каскада, еще дополнительно один или несколько дифференциальных каскадов с однофазным выходом. К выходу последнего каскада подключается схема сдвига потенциального уровня, обеспечивающая установление на выходе усилителя потенциала, равного входному при отсутствии усиливаемого сигнала. Выходной каскад представляет собой усилитель мощности и предназначен для согласования усилителя с нагрузкой.

Для питания ОУ обычно используют два разнополярных и равных по величине напряжения с общей шиной, что позволяет получить потенциал выхода, равный нулю, т.е. потенциалу общей шины разнополярного источника питания.

Одним из первых отечественных ИОУ, получивших широкое применение, является усилитель 140УД1 (1УТ401), схема которого показана на рисунке 3.21. Это монолитная полупроводниковая интегральная микросхема на кремниевой пластине размером 1,1 ´ 1,1 мм.

Входной дифференциальный каскад построен на транзисторах VT1 и VT2 с диффузионными резисторами в коллекторных цепях R1, R2 и R8. Токи эмиттеров I_{Э 1} и I_{Э 2} транзисторов VT1 и VT2 задаются источником стабилизированного тока, построенного на транзисторной структуре VT3 с резистором в эмиттере R3. Ток этого транзистора задается делителем R5, R4, подключенным к напряжению источника − Е_И.П. Влияние температуры на ток транзистора VT3 исключается введением в цепь делителя транзистора VT4 в диодном включении. Эта же цепь используется для задания и стабилизации режима транзисторной структуры VT8, которая также применяется в качестве источника тока и высокоомного резистора в цепи эмиттера повторителя напряжения на VT7. Выходное напряжение входного дифференциального каскада усиливается инвертором на VT6, который совместно с эмиттерным повторителем на VT5 реализует преобразование двухфазного сигнала в однофазный.

Рисунок 3.21 - Схема операционного усилителя 140УД1

Сдвиг уровня осуществляется при помощи эмиттерного повторителя на VT3 путем подключения входа усилителя мощности (VT9) на выход делителя напряжения, образованного R9, VT8 и R11. Усилитель мощности выполнен на эмиттерном повторителе VT9, охваченном ПОС через VT8 для повышения коэффициента усиления в 2,5 раза. Зарядная емкость диода VD выполняет функции ускоряющего конденсатора, способствующего уменьшению искажений крутых перепадов.