ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ операционных услителей

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Операционный усилитель –это высококачественный универсальный многокаскадный УПТ с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

Считают, что коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала, коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико, отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения и его дрейф, скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика, выходное сопротивление равно нулю.

Эти свойства даже теоретически полностью не могут быть достигнуты, так как большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры. Поэтому в каждом случае можно говорить лишь о доступной степени приближения к идеальным свойствам.

3.1. Устройство операционных усилителей

Операционный усилитель (рис. 8.1), выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и выходной каскад (ОК).

Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.

За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе каскада до близкого к нулю значения и большое усиление по напряжению и по току. Усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току – для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада. В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады.

Оконечный (выходной) каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление каскада. Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют сложный эмиттерный повторитель.

Любой ОУ (рис. 8.2) имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (^) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит в ОУ.

Питание схемы осуществляется от двух источников +U_п и –U_п с одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку. При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только выходного каскада, но и входного. Два источника питания позволяют увеличить входное сопротивление дифференциального каскада, так как при двух источниках питания можно обойтись без резисторных делителей в базовых цепях или цепях затворов входных транзисторов, уменьшающих входное сопротивление каскада.

Рассмотрим устройство операционного усилителя на примере усилителя К140УД1 (рис. 8.3). Для К140УД1 характерно наличие двух дифференциальных усилительных каскадов. Первый: на транзисторах Т₁, Т₂ и Т₃, вход (Вх 1) – неинвертирующий, вход (Вх 2) – инвертирующий. При этом если используется только один вход, второй соединяется с выводом 4 через сопротивление R = R_{ист. сиг.}, так как  R_{1 вх.}= R_{2 вх}.

Пара Т₃ - R₃ выполняет роль стабилизатора тока, подавляя синфазные сигналы усилителя. Второй дифференциальный каскад на транзисторах Т₅ и Т₆ имеет несимметричный выход с коллектора Т₆, а транзистор Т₄ включается по схеме диода. Он стабилизирует общую работу обоих каскадов. Схема сдвига уровня построена на транзисторах Т₇ Т₈ и резисторах R₁₀, R₉, R₁₂.

Сдвиг уровня выполняется делителем, состоящим из резистора R₉ и цепи Т₈, R₁₀, R₁₂. Схема сдвига уровня подключена к несимметричному выходу второго каскада. Подключение выполняется через эмиттерный повторитель на базе Т₇. Такое построение схемы сдвига уровня имеет не только большое входное сопротивление, но и малый входной ток, равный току базы Т₇. Из этого получается, что можно увеличивать R₅. В результате получаем высокий коэффициент усиления на втором каскаде.

Выходной каскад построен на эмиттерном повторителе на базе Т₉. С помощью резистора R₁₀ и транзистора Т₈ вводится положительная обратная связь для компенсации ослабления сигнала, которое вносится схемой сдвига. Диод Д₁ защищает оконечные транзисторы от перегрузки при высоком значении входного сигнала. Питание подается от двух источников по 6,3 В, включенных последовательно, или от одного источника 12,6 В.

Операционные усилители этой серии используются как усилители постоянного и переменного тока в полосе частот от 0 до 20 МГц. Когда требуется усиление широкополосного сигнала, этот усилитель охватывается глубокой обратной связью. При этом коэффициент усиления практически не зависит от параметров усилителя, и определяется лишь характеристиками обратной связи. Это верно лишь в данном диапазоне частот.