3. Операционный усилитель, его схемотехническое решение.

Операционным усилителем называют усилитель, имеющий рабочий диапазон в полосе частот от нуля до нескольких мегагерц и коэффициент усиления по напряжению Ku =10⁵  10⁶, большое входное сопротивление (ток Iвх микро- и наноамперы) и малое выходное сопротивление.

Схемные решения ОУ в полной мере не могут быть регламентированы. Тем не менее в настоящее время наибольшие распространение получили 3-х каскадные и 2-х каскадные ОУ. Структурная схема 3-х каскадного ОУ приведена ниже.

Первый каскад обычно выполняют по схеме простого ДУ, имеющего 2 входа и 2 выхода. С целью повышения входного сопротивления, а также снижения статических и дрейфовых ошибок этот каскад работает в режиме микроамперных токов, что, однако, не позволяет получить достаточно высокий коэффициент усиления.

Второй каскад – усилитель напряжения, также выполняемый по схеме дифференциального усилителя, работает в режиме миллиамперных токов и обладает значительным коэффициентом усиления. Выход этого каскада согласовывается с входом оконечного усилителя мощности по постоянной составляющей тока.

Выходной каскад является усилителем амплитуды сигнала (УА) и состоит из нескольких каскадов с ОЭ, ОК и ОБ. В УА, потребляющем основную часть тока всего усилителя, оконечно формируется амплитуда выходного сигнала. Для обеспечения низкого выходного сопротивления последний каскад в УА выполняется по схеме с ОК. Общий коэффициент усиления 3-х каскадного ОУ может достигать 100 тысяч и более.

Таким образом, ОУ имеет два входа и один выход. Для обеспечения универсальности применения ОУ может иметь также 2 выхода, с которых можно снять 2 противофазных напряжения Uвых1 и Uвых2.

Большинство стандартных интегральных ОУ имеют один выход. При этом выходное напряжение Uвых находится в фазе с напряжением Uвх1 (вход обозначен знаком “+”) и противофазно напряжению Uвх2 (этот вход обозначен знаком “-“ или  “ º ”).

Схема включения ОУ в цепи источников питания

Эквивалентная схема ОУ.

Начальные входные и выходные напряжения ОУ относительно земли равны нулю. Равенство нулю выходных напряжений достигается применением двух источников питания, имеющих относительно земли одинаковые по величине положительные и отрицательные напряжения.

Условное обозначение ОУ.

Обычно применяются источники питания, имеющие номинальное напряжение6.3 и 12.6 В. Применяют также источники напряжением 15 В и 18 В. Источники питания должны иметь высокую стабильность напряжения и малое выходное сопротивление.

Выходное напряжение снимается относительно средней точки источников питания (относительно корпуса). Если Uвх=0, то Uвых=0, что отражает условие баланса ОУ.

При заземленном неинвертирующем входе передача сигнала на выход усилителя осуществляется с инвертированием фазы входного сигнала (характеристика 1).

В случае заземления инвертирующего входа фаза усиливаемого сигнала в процессе усиления не изменяется (характеристика 2).

При отсутствии внешних цепей обратных связей, как в данном случае, наклон передаточных характеристик Uвых/Uвх определяется собственным коэффициентом усиления Ku.

Очевидно, что Uвых не может превышать Uип. Поэтому следует четко различать работу ОУ в линейном режиме, где Uвых=Кu*Uвх и работа ОУ в нелинейном режиме, где Uвых ±Uип.

Первым серийно изготовляемым ОУ интегрального типа стал 140УД1А, обладающим хорошим быстродействием, однако относительно невысоким входным сопротивлением и коэффициентом усиления напряжения.

Более сложным в схемотехническом отношении является ОУ 153УД1, который в большей степени удовлетворяет оптимально технико-экономическим характеристикам и является классическим вариантом линейных интегральных схем данного типа.

Принципиальная схема ОУ типа 140УД1А приведена выше.

Первый каскад ОУ выполнен по суммирующей схеме на транзисторах Т1 и Т2, где нагрузочными сопротивлениями являютсяR1 и R2. В цепь эмиттеров подключён генератор стабильного тока, выполненный на T3 и R3. Поскольку усилитель является дифференциальным, то увеличение тока через Т1 равно величине уменьшенного тока через Т2. Поэтому через эмиттер будет протекать постоянный ток. Синфазный сигнал (напряжение, вызванное повышением температуры [температура растёт – ток коллектора тоже растёт]) не усиливается, т.к. на базу Т3 подаётся отрицательная обратная связь с термочувствительного элемента T6, включённого по диодной схеме. Весь дифференциальный входной сигнал с коллекторов T1 и T2 подаётся на второй дифференциальный каскад, выполненный по симметричной схеме T4 и T5. Несимметричность заключается в том, что T4 включён как эмиттерный повторитель, нагрузкой которого является R5 и R6. Средняя точка между ними подобрана таким образом, чтобы её потенциал был равен нулю – он является выводом корпуса (земли).

В результате полный дифференциальный сигнал прикладывается к T5, нагрузкой которого является R8. С коллектора T5 полный сигнал подаётся на базу T7 – каскад сдвига уровня выходного напряжения. В качестве сдвигающего элемента служит R10, через который протекает стабилизированный ток от генератора стабилизированного тока T8, база которого соединена с коллектором T6. Поэтому падение напряжения на R10 вычитается из выходного сигнала, т.е. уровень выходного напряжения снижается. С коллектора T8 усиленный сигнал подаётся на эмиттерный повторитель T9, основной задачей которого является снижение выходного сопротивления.