3. Операционный усилитель и устройства на его основе

Элементная база современной электроники, кроме дискретных полупроводниковых приборов, ряд которых был рассмотрен в первой главе, включает микросхемы. Это – элементы, изготовленные на общей полупроводниковой основе в процессе общих технологических операций и выполняющие определенные функции преобразования и обработки сигнала. Они в своем составе содержат и полупроводниковые приборы.

Обычно электронные устройства, выполняющие такие же операции, содержат множество дискретных приборов и множество межэлементных соединений, выполняемых посредством пайки, следствием чего является низкая плотность монтажа, большие масса и габариты, а главное – низкая надежность. Эти недостатки исключаются в микросхемах. Однако в микросхемах весьма затруднен отвод тепла, выделяющегося в процессе работы от входящих в ее состав компонент, что ограничивает область их применения. Микросхемы являются основными элементами информационной электроники, в отличие от дискретных приборов, являющихся элементами силовой электроники.

Микросхемой, которая нашла самое широкое распространение, является операционный усилитель, свойства которого позволяют его использовать при создании электронных устройств различного назначения. Название «операционный» связано с первоначальным использованием усилителя для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами, которые во времени изменяются непрерывно. Однако операционные усилители используются и в импульсных устройствах.

3.1. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный усилитель постоянного тока, в котором в качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель. ОУ имеет два входа и один выход. Один из его входов является инвертирующим, а другой – неинвертирующим. Используемое ниже схемное обозначение ОУ приведено на рис.3.1. Этот усилитель характеризуется:

• высоким коэффициентом усиления, величина которого находится в пределах 10⁴ – 10⁶;

• высоким значением входного сопротивления, обычно равным 10⁵ – 10⁷ Ом;

• низким значением выходного сопротивления, находящимся в пределах от единиц Ом до нескольких сотен Ом.

Рис.3.1. Схемное обозначение операционного усилителя

Кроме клемм для подачи и съема сигналов, ОУ имеет клеммы для подключения источника постоянного напряжения, энергия которого преобразуется при усилении сигнала. Это - две клеммы (+Е и - Е) на рис.3.1 для подключения к двухполюснику источнику. Следует отметить, что для упрощения схем на ОУ в его схемном обозначении часто опускают изображения клемм питания.

Рис.3.2. Передаточная характеристика ОУ

Важнейшей характеристикой ОУ является передаточная (амплитудная) характеристика, вид которой приведен на рис.3.2. Она имеет две ветви, соответствующие неинвертирующему и инвертирующему входам. Каждая из ветвей имеет участки, где ОУ работает в линейном режиме (область малых входных напряжений u) и два участка, на которых происходит насыщение усиления (при больших значениях входного напряжения). Как правило, в линейном режиме ОУ работает в составе аналоговых устройств, в режиме насыщения (нелинейном) – в составе импульсных устройств.

В связи с высокой величиной коэффициента усиления интервал значений входного напряжения, где ОУ работает в линейном режиме, весьма мал. Данное обстоятельство затрудняет применение ОУ без дополнительных схемных решений. Проблема обычно решается введением отрицательной обратной связи, при которой выход ОУ соединяется с его инвертирующим входом. При таком схемном решении величина сигнала, поступающего непосредственно на вход ОУ, оказывается уменьшенной по сравнению с входной на величину сигнала, передаваемого по цепи обратной связи. Подбором параметров цепи обратной связи добиваются того, что напряжение непосредственно на входе ОУ не выходит за пределы интервала значений, где обеспечивается работа усилителя в линейном режиме.

Значения напряжений U_{вых max} и –U_{вых max}, при которых ОУ работает в режиме насыщения, отмеченные на рис.3.2, весьма близки к напряжениям ±Е источника питания.

Приведенные на рис.3.2 характеристики построены для случаев, когда на один из входов ОУ подается напряжение, а другой вход заземлен. Если же на другой вход подается напряжение, отличное от нуля, то происходит смещение передаточной характеристики, что иллюстрируется рис.3.3. Величина смещения характеристики определяется значением напряжения смещения. Направление смещения зависит от полярности напряжения. Данные на рис.3.3,а соответствуют случаю, когда входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение смещения – на инвертирующий вход. Данные на рис.3.3,б соответствуют случаю, когда входной сигнал подается на инвертирующий вход, а напряжение смещения – на неинвертирующий.

Рис.3.3. Смещение передаточной характеристики ОУ:

а - при подаче на инвертирующий вход напряжения U_см,

б - при подаче на неинвертирующий вход напряжения U_см

Состояние ОУ, в котором при нулевом напряжении смещения передаточная характеристика проходит через начало координат (u = 0 при u = 0), называется балансом. У реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется. Основной причиной разбаланса является хотя бы небольшое, но наблюдающееся различие параметров элементов, входящих в мостовую часть схемы дифференциального усилительного каскада. В качестве параметра, характеризующего разбалансирование ОУ, принимается входное напряжение, соответствующее нулевому выходному напряжению (величина U на рис.3.4). Оно равно напряжению (по абсолютному значению), которое необходимо подать на вход ОУ для обеспечения баланса.

Рис.3.4. Передаточная характеристика ОУ

при наличии разбаланса

(пунктирные кривые)

Применение ОУ в конкретных схемах требует его предварительного балансирования. Это осуществляется путем подачи на один из входов ОУ соответствующего дополнительного напряжения.

Амплитудно-частотная характеристика ОУ является типичной для усилителей постоянного тока. Ее вид представлен на рис.2.14. Полоса пропускания частот, в которой допускается уменьшение коэффициента по мощности в два раза, обычно составляет десятки мегагерц. Это обеспечивает усиление без существенных искажений сигналов, обычно используемых в информационной технике.