Теоретические сведения и методические указания.

4.1. Операционный усилитель.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных микросхем. Они содержат большое число элементов (транзисторов и диодов), но по размерам и стоимости близки к отдельным транзисторам. Типичные параметры интегрального ОУ следующие: R_вх > 100 кОм, коэффициент усиления напряжения K_U = 10⁴–10⁶.

 Благодаря совершенным характеристикам операционных усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и нелинейных устройств. Вследствие своей надежности и универсальности операционный усилитель стал самым массовым элементом аналоговой схемотехники.

Рис. 4.1.

Типовая структура ОУ показана на рис. 4.1. Как правило, в ОУ используются расщепленные источники питания (напряжение питания составляет обычно от ±2 до ±18 В). За счет использования расщепленных источников выходное напряжение может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

 Входным каскадом ОУ является дифференциальный усилитель. Его основное назначение – предварительное усиление дифференциального сигнала и ослабление синфазной составляющей. Наличие дифференциального входа позволяет легко включать внешние цепи обратной связи. Коэффициент усиления входного каскада не превышает нескольких десятков.

Второй каскад реализуется на основе схемы с общим эмиттером. Он обеспечивает основную долю коэффициента усиления напряжения. Третий, выходной каскад – повторитель напряжения. Его назначение – усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление повторителя напряжения низкое и не превышает 100 Ом.

В интегральных усилителях для смещения рабочих точек транзисторов используют источники тока. Такие источники реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большее внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала. Один отражатель тока может формировать токи смещения нескольких каскадов усиления.

Рассмотрим примеры простейших операционных усилителей на биполярных транзисторах, характеризующие основные особенности схемотехники интегральных ОУ.

4.2. Простейший трехкаскадный ОУ

 Схема простейшего операционного усилителя показана на рис. 3.2. Первым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 и VT2. Он обеспечивает предварительное усиление дифференциальной составляющей и одновременно подавление синфазной составляющей входного сигнала. Режим транзисторов по постоянному току определяется напряжением питания и величиной резистора R₀.

Второй каскад реализован на p-n-p - транзисторе VT3, включенном по схеме с общим эмиттером. Использование транзистора p-n-p типа во втором каскаде обеспечивает сдвиг уровня постоянного напряжения на выходе усилителя. Это необходимо для того, чтобы уменьшить постоянную составляющую выходного напряжения до минимального значения. За счет этого переменная составляющая выходного напряжения может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Конденсатор С создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь во втором каскаде. Частотная коррекция необходима для того, чтобы устранить автоколебания, которые могут возникнуть при подключении внешних цепей обратной связи.

Рис. 4.2

Коэффициент усиления напряжения двухкаскадной схемы на рис. 4.2 может достигать нескольких тысяч. Однако коэффициент усиления тока невелик. Следовательно, мал и коэффициент усиления мощности. К тому же усилитель имеет значительное выходное сопротивление, достигающее нескольких кОм. Эти недостатки можно устранить, включив на выходе эмиттерный повторитель (рис. 4.3). Он обеспечивает усиление мощности выходного сигнала. Выходное сопротивление такой схемы составляет всего несколько десятков Ом.

Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ на рис. 4.3

Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент , так что для всех транзисторов . Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому .

Рис. 4.3

1. Рассчитываем сопротивление резистора , обеспечивающего заданные значения токов покоя транзисторов VT1 и VT2.

.

2. Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов VT1 и VT2 .

3. Напряжения коллектора VT1 .

4. Напряжение эмиттера p-n-p транзистора VT3 .
5. Ток эмиттера VT3 .

6. Напряжение коллектора VT3 .

7. Выходное напряжение .