F Входы идеального ОУ тока не потребляют. (реальный ОУ потребляет достаточно малый входной ток – до 0,08 мкА)

ВВЕДЕНИЕ

Цель лабораторных работ – расчет и экспериментальные исследования типовых схем, основу которых составляет интегральный операционный усилитель.

Рис. 1

Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая интегральная микросхема (ИМС) с очень большим собственным коэффициентом усиления по напряжению (10³ ... 10⁶). Условное обозначение ОУ показано на рис. 1 (и_и – инвертирующий вход, и_н – неинвертирующий вход). Идеальная передаточная характеристика ОУ представляет собой зависимость выходного напряжения (U_вых) от разности напряжений на его входах:

,

где А – собственный коэффициент усиления ОУ (А = 10³ ... 10⁶);

u_вх = (и_н – и_и) – разность напряжений на входах ОУ – дифференциальный (разностный сигнал).

Рис. 2

Идеальный ОУ чувствителен только к разности входных напряжений и_вх и нечувствителен к любой составляющей входных сигналов, общей для обоих входов. Такая составляющая называется синфазным сигналом и определяется как (и_н + и_и)/2.

Передаточная характеристика идеального ОУ показана на рис. 2. Линейная область характеристики определяется уравнением U_вых = Aи_вх ограничена с обеих сторон областями насыщения. Например, при собственном коэффициенте усиления А = 100000 и напряжении питания Е_п = ±15 В, максимальное входное напряжение, соответствующее максимальному выходному напряжению U_{вых max} = Е_п – 2 = 13 В, будет: и_вх = 13/10⁵ = 0,15 мВ. При меньших напряжениях питания и большем собственном коэффициенте усиления ОУ ширина линейной зоны (рис. 2) сравнима с уровнем шумов. Поэтому без дополнительных цепей ОУ в качестве линейного усилителя не используется. В линейном режиме необходима отрицательная обратная связь (ООС), когда часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход ОУ.

Для идеального ОУ существуют два основных правила:

F ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между его входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Отсюда следует, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

F Входы идеального ОУ тока не потребляют. (реальный ОУ потребляет достаточно малый входной ток – до 0,08 мкА).

Первое правило вовсе не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно и несовместимо со вторым правилом. В действительности ОУ "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между его входами становится равной нулю, если это возможно.

Выходное и входное напряжения ОУ снимаются относительно средней точки ("земли") источников питания (рис. 1), что позволяет подавать на входы и получать на выходе ОУ напряжения как выше, так и ниже нулевого потенциала ("земли") При этом максимальное выходное напряжение ниже питающего примерно на (1 ... 2) В, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения еще меньше.

Рис. 3

Упрощенная типовая двухкаскадного схема ОУ показана на рис. 3.

Входной каскад ОУ выполнен по схеме дифференциального усилителя на р-п-р транзисторах VT1 и VT2, нагрузкой которого является токовое зеркало на п-р-п транзисторах VT3 и VT4. Для выходного тока каскада справедливо соотношение

.

Вследствие того, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров VT1 и VT2 также представляет собой токовое зеркало (на упрощенной схеме вторая половина не показана). Второй каскад выполнен на транзисторе VT6, включенным по схеме с ОЭ. Его нагрузкой является источник тока на транзисторе VT10. Для повышения входного сопротивления каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5. Частотная характеристика ОУ обеспечивается внутренним корректирующим конденсатором С_к.

Выходной каскад ОУ выполнен в виде эмиттерного повторителя на комплементарных транзисторах VT7 и VT8. С помощью двух последователь но включенных диодов обеспечивается начальный ток этих транзисторов, что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения.