Интегральные операционные усилители и их основные показатели

Операционными усилителями (ОУ) называются многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом и несимметричным выходом. Операционными они называются потому, что первоначально предназначались для выполнения математических операций над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах (сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и т.д.). Первоначально ОУ выполнялись на лампах и имели большие размеры и стоимость. Сейчас их изготавливают в виде интегральных микросхем (чаще полупроводниковых), поэтому они имеют миниатюрные размеры, низкую стоимость и являются самыми универсальными аналоговыми компонентами радиоэлектронной аппаратуры, используемыми в измерительных приборах, усилителях звуковых частот, видеоусилителях, стабилизаторах напряжения, в схемах сравнения и т.д.

На рис. 4 изображена принципиальная схема простейшего ОУ типа 140УД1.

ОУ содержит два ДК (VT1, VT2 и VT4, VT5) с ГСТ (VT3, VT6) в первом из них. С эмиттеров второго ДК на базу VT3замкнута петля отрицательной обратной связи (ОС), охватывающей эти каскады по синфазной помехе с целью ее дополнительного ослабления. Имеется также каскад сдвига уровня (VТ7). Емкость запертого диода VD используется для увеличения пассивной передачи высших частот (коррекция на опережение), чтобы они не ослаблялись схемой сдвига. На выходе включен эмиттерный повторитель (VT9). В схеме сдвига участвует также VT8, который, кроме того, совместно с VT9образует петлю положительной ОС, благодаря которой сопротивление между точками a и b становится отрицательным, и коэффициент передачи "делителя" напряжения, состоящего из R5и Rab,оказывается больше единицы. Это позволяет получить полную амплитуду выходного напряжения, несмотря на пониженную достижимую амплитуду на коллекторе VТ5. Выводы 12 и 3 служат для подключения внешних цепей коррекции.

На схемах электронной аппаратуры ОУ графически обозначается прямоугольником (рис.5), в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи сигнала. Кроме того, допускается проставлять знак ∞, символизирующий высокий коэффициент усиления. Выводы входов делают c одной стороны прямоугольника, а выход выводят с противоположной стороны. Тот вход, напряжение с которого проходит на выход без изменения фазы, называется неинвертирующим. Другой вход является инвертирующим. Его вывод отмечается кружком. Прямоугольник может быть разделен на основное и дополнительные (одно или два) поля, расположенные справа и слева от основного. На дополнительных полях указывают назначения дополнительных выводов, например, выводов питания, частотной коррекции (FC), балансировки нуля (NC), корпуса микросхемы.

В исходном состоянии постоянные напряжения входов и выхода относительно земли равны нулю. Это достигается применением двух источников питания разной полярности. Их напряжения +Е_П и -Е_П (рис. 5) подаются относительно земли, обычно берутся одинаковыми и составляют единицы или десятки вольт.

Перейдем теперь к основным техническим показателям ОУ. На рис. 4 дифференциальное входное напряжение подается между выводами микросхемы 9 и 10). Отношение выходного напряжения к дифференциальному входному называется коэффициентом усиленияОУ

.

По сути дела это коэффициент усиления дифференциального напряжения. Он очень велик и обычно составляет тысячи или десятки тысяч, измеряется на частоте 1 кГц.

Входные сопротивления ОУ (R_вх.д и R_вх.сф), коэффициент ослабления синфазных входных напряжений (К_осл.сф) определяются так же, как и у входного ДК. В роли синфазной входной помехи чаще всего выступает наводка от питающей сети с частотой 50 Гц.

Выходное сопротивление R_вых ОУ составляет десятки или сотни Ом и определяется оконечным эмиттерным повторителем. Полоса пропускания на уровне 0,707 определяется граничной частотой усилителя. Кроме того, применяется частота единичного усиления f₁. Это частота, на которой К_д = 1. Величина f₁ обычно имеет значение не менее сотен килогерц.

Основные схемы включения ОУ

Так как ОУ обладает очень большим усилением, то даже малое постоянное дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за асимметрии входного ДК или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать смещение или сдвиг нуля постоянного выходного напряжения к предельному значению. Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность усиливать. Кроме того, коэффициент усиления ОУ может иметь значительный технологический разброс и зависеть от температуры и напряжения питания. Поэтому, как правило, ОУ применяются с глубокой внешней отрицательной ОС, которая обеспечивает стабильность усиления и малый сдвиг нуля выходного напряжения. Рассмотрим основные схемы включения ОУ.

Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя приведена рис.6,а. Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через сопротивление R1. Неинвертирующий вход заземлен через сопротивление R3, которое в некоторых случаях может отсутствовать. Для того чтобы ОС была отрицательной, ее сигнал должен сниматься с выхода и подаваться на инвертирующий вход. В приведенной схеме отрицательная ОС подается с выхода на вход через резистор R2 и является параллельной по напряжению. Поскольку данная схема приводится для анализа работы ОУ, выводы подключения источников питания, а также дополнительные выводы, используемые на практике, на схеме не показаны.

Ограничимся упрощенным анализом, который является точным только в случае допущения, что ОУ является идеальным (К_д = ∞, R_вх.д = ∞). Так как U_вых ограничено значением напряжения питания, а К_д = ∞, то U_вх.д = 0, т.е. пренебрежимо мало. Кроме того из-за R_вх.д = ∞ входной ток ОУ ничтожно мал. Следовательно, величины токов I, протекающих через R1 и через резистор связи R2, одинаковы. Поскольку U_вх.д = 0, то напряжение на R1 равноU_вх, а на R2 равно U_вых и ток

, (1)

откуда коэффициент усиления с учетом ОС

. (2)

Входное сопротивление R_вх.β = U_вх /I, а с учетом (1) R_вх.β = R₁. Выходное сопротивление самого ОУ составляет десятки или сотни Ом. Отрицательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление схемы. При К_д = ∞ глубина ее бесконечно велика и R_вых.βуменьшается до нуля.

В случае реального ОУ (К_д ≠ ∞, R_вх.д ≠ ∞) для точного определения найденных показателей необходимо применять теорию обратных связей.

Неинвертирующий усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя (рис.6,б) входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение ОС подается по-прежнему на инвертирующий вход через делитель R2, R1 для того, чтобы обратная связь была отрицательной. Организованная в схеме внешняя ОС оказывается последовательной по напряжению.

Здесь также ограничимся упрощенным анализом, считая ОУ идеальным. Тогда по тем же причинам, что и в инвертирующем усилителе, U_вх.д и I_вх.д пренебрежимо малы. Поэтому через R2 и R1протекает один и тот же ток I , причем

, .

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя с учетом ОС

. (3)

Входное сопротивление схемы для случая идеального ОУ R_вх.β = ∞, а выходное R_вых.β = 0.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис.7), так же, как и дифференциальный каскад, предназначен для усиления разности двух входных напряжений, но в отличие от него охвачен глубокой отрицательной ОС.

Для точного вычитания необходимо обеспечить равенство коэффициентов усиления как первого, так и второго входных напряжений, рассматриваемых по отдельности (принцип суперпозиции):

. (4)

Левая часть равенства (4) - это коэффициент усиления (2) инвертирующего усилителя для U_вх1. Его находим при U_вх2 = 0. При этом в вывод неинвертирущего входа ОУ оказывается включенным сопротивление R2 || R4. Однако оно ничтожно мало по сравнению с R_вх.д и на коэффициент усиления не влияет. В правой части (4) первый сомножитель - это коэффициент передачи резистивного делителя напряжения R2, R4, а второй - коэффициент усиления (3) неинвертирующего усилителя для напряжения U_вх2 (находим при U_вх1 = 0).

Разделим обе части равенства (4) на отношение R₃/R₁, а числитель и знаменатель дроби в правой части - на R₄. Получим

,

откуда

.

При этом условии выходное напряжение

пропорционально разности входных напряжений. Иначе говоря, такой усилитель нечувствителен к синфазному входному напряжению, поданному на оба входа одновременно. Однако в реальных ОУ синфазный сигнал все же проходит на выход, хотя и очень слабо.

Известно, что отрицательная ОС по напряжению уменьшает U_выхв глубину раз независимо от точек подачи входного напряжения. Следовательно, в дифференциальном усилителе она одинаково уменьшает оба коэффициента передачи - для дифференциального напряжение (К_д) и для синфазного напряжения (К_сф). Поэтому их отношение, называемое коэффициентом ослабления синфазной помехи К_{осл сф}, для дифференциального усилителя (рис.7) такое же, как и для самого ОУ, т.е.

.

Последней формулой можно воспользоваться для определения K_{осл сф} , если измерить К_{β сф} = U_вых/U_вх.сф. Здесь U_вх.сф = U_вх1 = U_вх2 и подается при запараллеленных между собой входах схемы рис.7, а К_β = R₃/R₁ для любого из входов. Тогда

. (5)

В заключение отметим, что во всех рассмотренных усилителях, если они предназначаются для усиления только переменных напряжений, можно обойтись источником питания одной полярности. Соответствующие схемы мы здесь не рассматриваем.