Операционные усилители, их характеристики и типы

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). При этом под аналоговой величиной подразумевается непрерывно изменяющееся напряжение или ток.

Все выпускаемые на сегодняшний момент операционные усилители можно условно разделить на несколько групп, которые характеризуются общей схемотехникой, динамическими и технологическими характеристиками. Необходимо отметить, что некоторые типы операционных усилителей можно отнести сразу к нескольким группам.

Типы операционных усилителей:

Операционные усилители общего назначения: обычно это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Рассмотрим параметры усилителей общего назначения на примере ОУ 140УД8 А: — коэффициент усиления по напряжению --- Является основным параметром ОУ на очень низкой частоте. Он определяется отношением выходного напряжения Uвых ОУ без ОС в режиме холостого хода к дифференциальному (разностному) напряжению Uвх.д = Uвх1 — Uвх.

— граничная частота единичного усиления f1 = 1 МГц;--- — это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице;

— скорость нарастания выходного напряжения --- При большом уровне сигнала ОУ характеризуется скоростью нарастания выходного напряжения, которая определяется внутренними токами и емкостями схемы.

— максимальное выходное напряжение Uвыхmax = 10 В;

— напряжение смещения Uсм = 50 мВ;--- Определяет постоянное напряжение, которое следует присоединить к входу ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю.

— напряжение питания Епит = ±15 В;

— температурный дрейф ΔUсм/ΔТ = 50 мкВ/°C.--- Медленные изменения постоянных напряжений и токов выражаются понятием дрейфа. Температурный дрейф соответствует изменению одного из параметров, вызванному изменением температуры окружающей среды на 1 °C. При различных значениях температуры дрейф может иметь различные значение и знак. Поэтому в спецификации на ОУ либо максимальное, либо среднее значение дрейфа в определенном интервале температур.

Прецизионные (высокоточные) ОУ: предназначены для использования в контрольно-измерительной аппаратуре. Используются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех. Характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие. Увеличение коэффициента усиления возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или в результате применения трехкаскадной схемы (например, в 551УД1.

Примеры: 140УД26, MAX400 М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, MAX430 (с прерыванием).

Общие параметры прецизионных ОУ: — напряжение смещения Uсм ≤ 250 мкВ; — температурный дрейф ΔUсм/ΔТ ≤ 5 мкВ/°C;

— коэффициент усиления

Быстродействующие ОУ:имеют высокие характеристики по быстродействию. Используются для преобразования быстросменяющихся сигналов. Характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления. Время восстановления после перегрузки не нормируется. Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав дифференциального усилителя входят p-n-p транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Это устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие p-канальные полевые транзисторы. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора Cк. Увеличить скорость заряда Cк можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость Cк. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости.

Примеры: 140УД10, 154УД4, ОРА634.

Общие параметры быстродействующих ОУ: — скорость нарастания

— время установления tуст ≤ 1 мкс;---Интервал времени между моментом подачи входного напряжения или управляющего сигнала на включениеисточника электропитания радиоэлектронной аппаратуры и моментом, когда значение выходногонапряжения [тока] входит в поле допуска.

— частота единичного усиления f1 ≥ 10 МГц.

Многоканальные операционные усилители. Имеют параметры, аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры.

Мощные и высоковольтные ОУ:усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток Iвых ≥ 100 мА, выходное напряжение Uвых ≥ 15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями и ток потребления I_{потр. макс} от источника питания не превышает 1 м. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УД3.