6. Операционные усилители и устройства на операционных усилителях с обратной связью

Цель: изучить схемы самых простых операционных усилителей и научиться производить расчет их режима по постоянному току. Научиться производить расчет коэффициента передачи устройств, построенных на операционном усилителе с глубокой ООС, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Научиться считать погрешности для реального операционного усилителя, источниками которых является то, что входное сопротивление и коэффициент усиления усилителя не бесконечны, как в идеальном случае.

1. Примеры решения задач

Задача 6.1

Рассмотрим схему (рис. 6.1) одного из самых распространенных операционных усилителей μА741 фирмы Фейрчальд. Имея довольно простую схему со сравнительно малым числом транзисторов, усилитель обладает большим коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением.

Описание схемы. Транзисторы VT1 иVТ3 являются эмиттерными повторителями. Их нагрузкой служат эмиттеры транзисторовVT2 и ‚ включенных по схеме с ОБ. Базы транзисторовVТ2 иVТ4 соединены вместе и “заземлены” на плюс верхнего источника питания через малое выходное сопротивление со стороны эмиттера транзистора УТ9. Суммарный базовый ток транзисторов иVТ4, примерно равный 10 мкА, задается токовыми зеркалами на транзисторахVТ8,VТ9 иVТI8,VT19. Этот ток равен разности коллекторного тока транзистораVT18 и эмиттерного тока транзистораVТ9. Схема имеет свойство авторегулирования. При увеличении суммы коллекторных токов транзисторовVТ1 иVТ3 напряжение база-эмиттер транзистораVТ8 увеличивается, что приводит к увеличению эмитерного тока транзистораVТ9, уменьшающего сумму базовых токов транзисторовVT2 иVT4 так как эмиттерный токвычитается из стабильного тока транзистораVТ18. Нагрузкой транзисторовVТ2 иVТ4 служит активная нагрузка, образованная транзисторамиVT16–VT17.

Сумма приращений коллекторных токов транзисторов VТ2 иVT4 снимается с коллектораVT4 и подается на базу транзистораVТ5, образующего вместе с транзисторомVТ6 каскад по схеме Дарлингтона. Их коллекторной нагрузкой является генератор стабильного тока транзисторахVT11 иVT12. Цепочка, состоящая из транзистораVT12 и резисторовR6 иR7, создает постоянное напряжение между базами и эмиттерами выходных транзисторов‚VT14 иVT7. Эта схема сдвига уровня напряжения равнаВ.

Таким образом, напряжение база-эмиттер каждого из транзистор VТ14 иVТ7 составляет 0,56В, что соответствует их работе в режимеB

Транзистор VТ1З вместе с резисторомR10 защищает транзисторVT14 от перегрузки. Увеличение эмиттерного тока транзистораVT14 выше некоторого предельно допустимого значения, например при замыкании выхода на землю, создает на резистореR10 напряжение база–эмиттер для транзистораVТ1З, отпирающее его. Отпирание транзистораVТ13 уменьшает базовый ток транзистораVТ14, предохраняя его от перегрузки.

Считая, что транзистор VТ1З отпирается при напряженииBполучаем, что максимальная амплитуда эмиттерного тока транзистораVТ14 равна 20 мА. Аналогичную роль выполняют транзисторVT20 и резисторR9, защищая схему Дарлингтона от перегрузки. Например при замыкании выхода усилителя на плюс верхнего источника питания увеличивается напряжение на эмиттере транзистораVТ7. Так как напряжение базы не может отличаться от напряжения эмиттера больше, чем на 0,7... 0,8 В, то при этом увеличится напряжение на базе; транзистораVТ7 и коллектореVТ6. Увеличение его эмиттерного тока открывает транзисторVT20. ЕмкостьпФ служит для частоты коррекции усилителя. Выходной каскад является эмиттерным повторителем на комплементарных транзисторахVT14 иVТ7.

Последующие задачи 6.2—6.7 решены в общем виде для упрощения решения задач при самостоятельном выполнении.

Необходимо отметить, что при анализе схем устройств, в которые входит операционный усилитель, можно получить значительные упрощения, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальным называется операционный усилитель с входным сопротивлением для разностного сигнала , внутренним коэффициентом усиления по напряжениюи выходным сопротивлением

Задача 6.2.

Найти в общем виде коэффициент передачи инвертирующего устройства на операционном усилителе (рис. 6.2):

а) в идеальном случае;

б) в случае, когда источником погрешности является коэффициент усиления.

Решение:а) для идеального усилителя, когдаток, а при. В этом случае приможно записатьИз схемы (рис. 6.2) запишем:

Тогда коэффициент передачи по напряжению

Это выражение справедливо для идеального ОУ.

б) Источник погрешности – это . Для ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), коэффициент передачи по напряжению, где К коэффициент усиления самого ОУ; В – коэффициент передачи цепи обратной связи. Для устройств на ОУ используется глубокая ООС, а именно. Тогда. В этом случае можно сделать вывод, что если, тодля идеального инвертирующего устройства. В случаедля реального инвертирующего устройства.

Задача 6.3.

Найти в общем виде коэффициент передачи для неинвертирующего устройства на ОУ (рис. 6.3):

а) в идеальном случае;

б) в случае, когда источником погрешности является коэффициент усиления.