Устройство и принцип действия операционного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокас­кадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности          (R_U → ∞);

- входное сопротивление стремится к бесконечности (R_вх → ∞);

- выходное сопротивление стремится к нулю (R_вых → ∞);

- если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю (U_вх = 0 → U_вых = 0);'.

- бесконечная полоса усиливаемых частот (f → ∞).

История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналого­вой вычислительной технике для реализации различных матема­тических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значе­ния, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало воз­можным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегр­альном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т. п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.

Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением различных па­раметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС). Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 10, то стандартный ОУ с коэффициентом ­усиления 25000, как будет показано в дальнейшем, можно рассматривать для этого случая как идеальный.

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схе­ма снабженная, как минимум, пятью выводами. Ее условное гра­фическое изображение приведено на рисунке 1.13. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а  другой (вход 2) – инвертирующим. Выходное на­пряжение U_вых связано с входными напряжениями U_вх1 и U_вх2 соотношением

,

где К_U0 – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Рисунок 1.13. Условное графическое обозначение ОУ.

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

Как было отмечено ранее, К_U0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значениями 10⁵ ... 10⁶ или 100 ... 120 дБ.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ Е_п, – Е_п). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ± 3 В … ± 18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ усилителя. Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокaскaдного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёхкаскадных усилителей постоянного тока.

Функциональная схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 1.14. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показы­вает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного ­каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить ­получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные состав­ляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т. п.

Рисунок 1.14. Структурная схема трёхкаскадного ОУ.

Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнал­а дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряже­нию, а также согласование фаз сигналов.

Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двух­тактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощ­ности.

Операционный усилитель является сложным электронным устройством, правильное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и знания основных требований, которые он предъявляет к схемам разрабатываемого ЭС. Ниже приводятся основные параметры ОУ, характеризующие его работу.

Коэффициент усиления по напряжению К_U0 характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал

.

Типовое значение коэффициента усиления ОУ составляет 10⁵ ... 10⁶ или    100 ... 120 дБ.

Входное напряжение смещения – это напряжение, которое обусловлено, в основном, неидентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя. Наличие этого напряжения приводит к нарушению условия, согласно которому U_вых = 0 при U_вх= 0 (см. рис. 1.15). Численно входное напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, его выходное напряжение было равно нулю. Иногда это напряжение называют напряжением сдвига нуля (U_см). Типовое значение этого напряжения единицы – десятки милливольт.

Входной ток I_вх (входной ток смещения) – ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типово­е значение этого тока единицы микроампер – сотни наноампер.

Рисунок 1.15. Передаточные характеристики ОУ по неинвертирующему (а) и инвертирующему входам (б).

Разность входных токов ΔI_вх (ток сдвига). Природа этого тока кроется, в основном, в неодинаковости коэффициентов передачи тока h_21Э транзисторов входного каскада ОУ. Численно он равен модулю разности входных токов усилителя

.

Типовое значение параметра – от единиц микроампер до единиц и десятых долей наноампера.

Входное сопротивление R_вх. Различают дифференциальное входное сопротивление R_вх.диф и синфазное входное сопротивление R_вх.син.

R_вх.диф определяется как сопротивление между входами усилителя, а R_вх.син – как сопротивление между объединенными вход­ными выводами и нулевой шиной.

Типовое значение входного сопротивления – сотни килоом.

Выходное сопротивление R_вых – это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Типовое значение выходного сопротивления – сотни ом.

Коэффициент подавления синфазного сигнала К_п.сф определяет степень подавления (ослабления) синфазной составляющей вход­ного сигнала. Его типовое значение – 50 ... 70 дБ.

Максимальная скорость изменения выходногo напряжения (V) характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульс­ных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Типовое значение скорости изменения выход­ного напряжения – единицы вольт/микросекунд.

Частота единичного усиления F_max – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких мегагерц.

Кроме перечисленных обычно задаются и предельно допустимые значения основных эксплуатационных параметров:

- максимально допустимое напряжение питания;

- максимально допустимый выходной ток;

- диапазон рабочих температур;

- максимально допустимая рассеиваемая мощность;

- максимально допустимое входное синфазное напряжение;

- максимально допустимое входное дифференциальное напряжение и др.

Большинство перечисленных параметров сильно зависит условий эксплуатации. Эти зависимости обычно задаются графически.

Ниже приводится классификация операционных усилителей.

Быстродействующие широкополосные операционные усилители используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным параметрам уступают операционным усилителям общего применения. К сожалению, для них нормируется время восстановления после перегрузки.

Их основные параметры: скорость нарастания V_U.вых.max ≥ 30 В/мкс;  время установления t_ycт ≤ 1 мкс; частота единичного усиления f₁ ≥ 10 МГц.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители исполь­зуются для усиления малых электрических сигналов, сопровождае­мых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

Их основные параметры: напряжение смещения U_см ≤ 250 мкВ; температурный дрейф ΔU_см/ΔТ ≤ 5 мкВ/°С; коэффициент усиления                       К_U0 ≥ 150 тыс.

Операционные усилители общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведённую погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения U_см – единицы милливольт, температурный дрейф ΔU_см/ΔТ – десятки микровольт/°С, коэффициент усиления К_U0 – десятки тысяч, скорость нарастания V_U.вых.max – от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Операционные усилители с малым входным током – усилители с входным каскадом, построенным на полевых транзисторах. Входной ток I_вх ≤ 100 пА.

Многоканальные операционные усилители имеют параметры аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Они служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры. Западные фирмы выпускают сдвоенные прецизионные и быстродействующие усилители.

Мощные и высоковольтные операционные усилители - усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковол­ьтных элементах. Выходной ток I_вых ≥ 100 мА; выходное напря­жение U_вых ≥ 15 В.

Микромощные операционные усилители необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, приборы, работающие в ждущем режиме). Ток потребления I_пот.mах ≤ 1 мА.