2 Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенным для работы в схемах с обратной связью. Название усилителя связано с первонача -льным применением – выполнением различных математических операций с аналоговыми сигналами (суммирование, вычитание, логарифмирование, интегрирование, дифферен-цирование и др.). В настоящее время ОУ выполняет многофункциональную роль в разнообразных устройствах. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерирования сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.

Обозначение ОУ приведено на рисунке 2.1а, где наряду с инвертиру- ющим (Вх 1) и неинвертирующим (Вх 2) входами и выходом используются так же цепи частотной коррекции и балансировки (FC, NC) и два источника питания: +Е_П1, у которого минус соединен с общим проводом, и -Е_П2, у которого на общем проводе плюс. Использование двух источников питания позволяет получить двухполярный сигнал на выходе. Упрощенное обозна- чение ОУ приведено на рисунках 2.1б и 2.1в без выводов для подключения источников питания и внешних элементов.

Рисунок 2.1

2.1 Параметры и характеристики оу

Ниже приведена таблица 2.1 с основными параметрами ОУ.

Таблица 2.1

Параметр	Идеальный ОУ	Реальный ОУ
КU 10^3		10 1000
RВХ, кОм		10 10^2 (БТ) 10^3 10^12 (ПТ)
RВЫХ, Ом	0	1 1000
f1, МГц		0,1100
KОС СФ, дБ		40110

К_U- коэффициент усиления ОУ К_U=U_ВЫХ  (U_ВХ2- U_ВХ1), R_ВХ- входное сопротивление (БТ- входной каскад выполнен на биполярных транзисторах, ПТ- на полевых транзисторах), R_ВЫХ- выходное сопротивление, f₁- частота единичного усиления, т. е. частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы, K_{ОС СФ}- коэффициент ослабления синфазного сигнала

K_{ОС СФ}= К_U К_{U СФ}. К_{U СФ}= U_ВЫХ U_ВХ. U_ВХ= U_ВХ1= U_ВХ2.

Характеристика прямой передачи приведена на рисунке 2.2а. Пунктиром показаны идеализированные характеристики. Цифрой 1 обозначена характе- ристика по инвертирующиму входу, цифрой 2 – по неинвертирующему. Однако реальные характеристики отличаются тем, что на выходе при

а)

б)

Рисунок 2.2

отсутствии входного сигнала имеется некоторое напряжение (положительное или отрицательное, как показано на рисунке 2.2а) из-за не идеальности эле- ментов схемы. Напряжение смещения U_СМ – напряжение, которое необходи -мо приложить на входе, чтобы на выходе получить нулевое напряжение. В современных усилителях предусмотрены специальные выводы (NC) для балансировки (получения нуля на выходе).

Пример АЧХ приведен на рисунке 2.2б. Частота, на которой коэффициент усиления снижается до единицы и есть частота единичного усиления f₁. Частота, при которой К_U снижается в ,называется предельной f_ПР. В области от 3 f_ПР до f₁ действует соотношение К_U(f)ff₁.

2. Структура ОУ

Современные ОУ имеют, как правило, четыре структурных элемента. Входной дифференциальный усилитель (ДУ), который усиливает разностный сигнал. Промежуточный усилитель (ПУ). В случае ОУ с низким коэффициентом усиления ПУ может отсутствовать. В ОУ с большим

Рисунок 2.3

коэффициентом усиления в качестве ПУ могут использоваться так же диф- ференциальные каскады, но с однотактным выходом. Схема сдвига уровня (ССУ) осуществляет установку на выходе нулевого потенциала, так как на выходе ПУ как правило, напряжение отличается от нуля. Эмиттерный повто- ритель (ЭП) обеспечивает малое выходное сопротивление. Между каскадами существует непосредственная связь (без разделительных конденсаторов).