Операционные усилители. Основные параметры. Основные схемы включения операционных усилителей.

ОУназывают дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

На рисунке дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что ОУ имеет два входа

Неинвертирующий вход на схему ОУ обозначается знаком “+”, а инвертирующий знаком “-”. Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя, как с положительными так и с отрицательными входными сигналами используется двухполярное питающее напряжение.

Операционные усилители характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными параметрами.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики. Их представляют в виде двух кривых, относящихся к инвентирующему и неинвентирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и наклонных участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого либо закрытого транзистора выходного каскада ОУ. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется напряжениями ±U_{вых.мах}, близких к напряжению питания ОУ. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ.

К=D_Uвых/DU_вх

Значение К зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения К позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Кривые на рисунке проходят через нуль. Состояние, когда U_вых=0, при U_вх=0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ, условие баланса не выполняется. При U_вх=0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше “0”. На рисунке пунктирными линиями показан возможный вид передаточной характеристики реальных ОУ при входном сигнале, подаваемом на неинвертирующий вход. Напряжение U_смо при котором U_вых=0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ для его балансировки.

Важное значение имеют выходные параметры ОУ. Ими являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление (десятки и сотни Ом) достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ. Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Рассмотрим некоторые схемы включения ОУ. Если в качестве цепи ООС использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получится схема неинвентирующего усилителя. Коэффициент обратной связи К=R₁/(R₁+R_o). При допущении идеальности ОУ коэффициент усиления определяется выражением K_u=A=U_вых/U_вх=1/K=1+R_o/R₁;

Инвентирующий усилитель, изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвентирующему входу ОУ с помощью резистора R_o параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связывается с общей точкой схемы. Входной сигнал подается через резистор R₁ на инвентирующий вход ОУ. Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять
R_вхОУ=¥ и I_оу=0, то I_вх=I_ос, откуда (U_вх-U_о)/R₁=-(U_вых-U_о)/R_о.

При К_оу®¥ напряжение на входе ОУ U_о=U_вых/К_оу®0, в связи с чем полученное выражение принимает вид

U_вх/R₁=-U_вых/R_о

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя определяется параметрами только пассивной части схемы

К=-R_o/R₁.

Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используются в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.