Операционные усилители, их параметры и базовые схемы

Операционные усилители (ОУ) – это УПТ с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход и один общий выход. Часто в качестве УГО используют показанные на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 – УГО операционных усилителей

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, являющийся входным усилителем. Выходной каскад обычно двухтактный эмиттерный повторитель (каскад с ОК). Между входным дифференциальным усилителем и выходным эмиттерным повторителем есть еще два-три дифференциальных усилительных каскада. Максимальные выходные напряжения ОУ близки к напряжениям питания: источника отрицательного напряжения –U_ПИТ и положительного напряжения +U_ПИТ. Важнейший параметр ОУ – амплитудная (передаточная) характеристика: это зависимость U_ВЫХ = f(U_ВХ), рисунок 1.13.

Рисунок 1.13 – Амплитудные характеристики ОУ

Горизонтальные участки амплитудной характеристики – это режим насыщения (или отсечки) выходного эмиттерного повторителя ОУ. Угол наклона линейного участка определяется коэффициентом усиления ОУ К_U = U_ВЫХ/U_ВХ. Значение К_U обычно лежит в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов.

Реальные ОУ имеют разбаланс нуля: при U_ВХ = 0, имеется U_ВЫХ ¹ 0. То есть, надо подать на вход некоторое напряжение DU_ВХ, чтобы на выходе ОУ стало U_ВЫХ = 0. Это DU_ВХ и есть напряжение смещения нуля, которое определяется по формуле:

. (1.12)

За счет неидеальности входных транзисторов ОУ наблюдаются неодинаковые входные токи: при включении в их цепи резисторов на них получаются различные падения напряжения, что ведёт к появлению дифференциального входного напряжения. Для устранения влияния этого напряжения ОУ имеют специальную регулировку «балансировка».

Вследствие малости разности входных токов входное дифференциальное сопротивление ОУ очень велико (единицы и сотни мегаом). Выходное сопротивление ОУ мало (единицы–десятки Ом), так как на выходе имеется эмиттерный повторитель.

При линейном усилении, обычно малых гармонических сигналов, ОУ характеризуется частотными параметрами, а усиление импульсных сигналов характеризуется скоростными параметрами ОУ. Частотные параметры ОУ определяются по его АЧХ, рисунок 1.14.

Рисунок 1.14 – АЧХ ОУ

Скоростные (динамические параметры) ОУ отражены на рисунке 1.15. К ним относятся:

– скорость нарастания выходного напряжения: V_U = DU/Dt; обычно для современных ОУ V_U » 0,1¸100 В/мкс;

– время установления выходного напряжения: t_УСТ » 0,05¸2 мкс.

Рисунок 1.15 – Динамические характеристики ОУ

Скорость нарастания выходного напряжения связана с максимальным выходным напряжением ОУ нижеследующим выражением, показывающим полосу частот, в которой выходное напряжение ОУ может быть равно максимальному значению (полоса максимальной мощности):

. (1.13)

Базовые схемы на ОУ строятся с помощью подключения внешних элементов, образующие в том числе обратные связи. Ниже приведены основные функциональные аналоговые узлы на ОУ.

Инвертирующий усилитель изменяет знак выходного сигнала относительно входного. По инвертирующему входу ОУ создают параллельную отрицательную обратную связь по напряжению, рисунок 1.16, а.

Рисунок 1.16, а – Инвертирующий усилитель на ОУ

При входном сопротивлении ОУ R_ВХОУ ®¥, его входной ток I_ОУ®0, и, таким образом, I_ВХ = I_ОС. Это позволяет оценить коэффициент усиления каскада как

К_U = –U_ВЫХ/U_ВХ = –(I_OCR_OC)/(I_ВХR₁) = –R_ОС/R₁ , (1.14)

а величину входного сопротивления каскада R_ВХ = R₁. Выходное эквивалентное сопротивление каскада определяется согласно выражению:

. (1.15)

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную ООС по напряжению, сигнал которой подаётся на инвертирующий вход, рисунок 1.16, б. Здесь U_y = 0, но К_U = 1 + R_ОС/R₁ .

Рисунок 1.16, б – Неинвертирующий усилитель на ОУ

При R_ОС = 0 и R₁ = ¥, эта схема является повторителем напряжения: К_U = 1, рисунок 1.17. Его входное сопротивление очень велико.

Рисунок 1.17 – Повторитель напряжения

Инвертирующий сумматор. Его схема приведена на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Инвертирующий сумматор

При I_ВХОУ = 0 (так как R_ВХОУ = ¥), U_ВЫХ = – [(R_ОС/R₁)U₁ + (R_ОС/R₂)U₂ +… + (R_ОС/R_n)U_n]. Обычно выбирают значения R_ОС = R₁ = R₂. Также можно построить и неинвертирующий сумматор.

Интегратор. Схема также является фильтром нижних частот, рисунок 1.19.

Рисунок 1.19 – Интегратор

Для ОУ имеем: U_y = 0; i_C = i_R или ; тогда

, (1.16)

где – выходное напряжение при t = 0; RC = t – постоянная времени.

Выходные сигналы интегратора показаны на рисунке 1.20. При = 0 в момент t₀ = 0, поэтому:

; (1.17)

t_РАЗР=С(R + R_ВЫХ(ОУ)). (1.18)

Рисунок 1.20 – Выходные сигналы интегратора

Дифференциатор. Используется для выполнения операций дифференцирования и является также фильтром верхних частот, рисунок 1.21.

Рисунок 1.21 – Дифференциатор

Его выходной сигнал определяется по формуле: . (1.19)