Электроника / Лекция 13

1. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, имеющий два входа и один выход. Один из его входов является инвертирующим, а другой – неинвертирующим, так что они образуют дифференциальный вход ОУ. Этот усилитель характеризуется:

• высоким коэффициентом усиления по напряжению, 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.

Название “операционный” связано с первоначальным использованием усилителя для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами. Современные ОУ представляют собой интегральную микросхему. Они, являясь основными элементами аналоговой микроэлектроники, нашли широкое применение в электронной аппаратуре самого различного назначения.

Рисунок 3.1. Операционный усилитель:

а – схемное обозначение, б – упрощенная структурная схема

Схемы реальных ОУ весьма сложны, что определяет целесообразным рассмотреть лишь основные принципы их построения. Упрощенная структурная схема и схемное обозначение ОУ приведены на рис. 3.1. Высокий коэффициент усиления достигается тем, что в состав ОУ входят несколько каскадов усиления. Первый каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя, и с ним связано наличие дифференциального входа ОУ. Промежуточный каскад выполнен на несимметричном дифференциальном усилителе, выходное напряжение с которого, в отличие от усилителя схемы рис. 2.31, снимается с коллектора одного из транзисторов моста, а второй выходной клеммой является «земля». Этим устраняется недостаток симметричного дифференциального усилителя, в котором отсутствует общая точка между нагрузкой и “землей”. Выходной каскад ОУ строится по схеме эмиттерного повторителя (либо стокового), чем обеспечивается низкое выходное сопротивление.

В связи с наличием ОУ дифференциального входа выходное напряжение определяется как:

u_вых = К_{u ОУ} (u - u), (3.1)

где К_{u ОУ} – коэффициент усиления ОУ, а u и u -напряжение, подаваемое на его входы. Таким образом, ОУ воспринимает разность входных напряжений.

Кроме клемм для подачи и съема сигналов, ОУ имеет клеммы для подключения источника постоянного напряжения, энергия которого преобразуется при усилении сигнала. В связи с использованием дифференциальных усилителей ОУ имеет, как правило, две клеммы (+Е_П и – Е_П) для подключения к двухполюснику источнику. Следует отметить, что для упрощения схем на ОУ в его схемном обозначении часто опускают изображения этих клемм питания.

Рисунок 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) и два участка, на которых происходит насыщение усиления выходного напряжения и ОУ работает в нелинейном режиме (при больших значениях входного напряжения). Высокие значения коэффициента усиления, которые приводятся в справочных данных, относятся к линейному режиму ОУ. Значения +U_{вых max} и –U_{вых max}, при которых ОУ работает в режиме насыщения, весьма близки к напряжениям ±Е_п 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 этого 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.

Рисунок 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.

Рисунок 3.4. Передаточная характеристика ОУ

при наличии разбаланса (пунктирные кривые)

Рисунок 3.5. Схемы, обеспечивающие балансировку ОУ

по инвертирующему входу:

а – при использовании источника питания Е_П,

б – при введении резистора во входную цепь ОУ

Применение ОУ в конкретных схемах требует его предварительного балансирования. Это осуществляется путем подачи на соответствующий вход ОУ напряжения, компенсирующего смещение его перадаточной характеристики. В качестве источника такого напряжения обычно используется источник питания Е_П, а величину напряжения, устраняющего разбаланс, можно подобрать с помощью делителя, как показано на рис. 3.5.а. Баланс ОУ может быть достигнут также введением резистора во входную цепь (см. рис. 3.5.б). Реализация последнего схемного решения обеспечивается тем, что величина входного сопротивления ОУ является хотя большой, но конечной. Поэтому во входной цепи ОУ, а, следовательно, и через включенный в эту цепь резистор будет протекать ток. Падение напряжения на резисторе эквивалентно подаче на вход ОУ напряжения, так что подбором сопротивления резисторов можно достичь балансирования ОУ. Следует отметить, что ОУ часто имеют дополнительные клеммы для подачи напряжений, регулировкой величинами которых достигается баланс. В схемах таких ОУ вводятся необходимые для этой цели цепи.

Амплитудно-частотная характеристика ОУ является типичной для усилителей постоянного тока. Ее вид представлен на рис. 2.28. Рабочий диапазон частот, в котором допускается уменьшение коэффициента усиления по мощности в два раза, обычно составляет десятки мегагерц. В схему ОУ часто вводится цепь корректировки амплитудно-частотной характеристики, с помощью которой можно увеличивать диапазон частот, где коэффициент усиления остается практически неизменным, а также соответствующие клеммы для подвода напряжения, осуществляющего эту корректировку. В результате ОУ обеспечивает усиление без существенных искажений сигналов, обычно используемых в информационной технике.

В связи с высокой величиной коэффициента усиления интервал значений входного напряжения, где ОУ работает в линейном режиме, весьма мал. Данное обстоятельство затрудняет применение ОУ в аналоговых устройствах 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.