Теоретические сведения. Операционным усилителем называют высоко-качественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом

Операционным усилителем называют высоко-качественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, имеющим большой коэффициент усиления (10⁶ - 10⁷), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления.

а) условно-графическое изображение ОУ

б) передаточные характеристики

Рис. 1.

Как и в дифференциальном усилителе по отношению к выходу один из входов ОУ является инвертирующим U- и обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ, рис.1а), а другой – неинвертирующим U+.

Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +U_n и -U_n. При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярным, а нулевым входным сигналом соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу – разности входных U_d =U₊-U_-. Коэффициент усиления К₀ самого ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

(1)

 

Передаточная характеристика ОУ имеет вид, показанный на рис.1б. Здесь по оси абцисс входное напряжение U_вх = U₊ - U_n откладывается в милливольтах (а то и в микровольтах), а по оси ординат выходное напряжение в вольтах! Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего, знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению К₀. При этом на линейном участке U_вых изменяется почти от -U_n до + U_т. Горизонтальные участки соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов, поэтому выходное напряжение

± U_вых =U_m^±» ± U_n (2)

 

Для современных ОУ коэффициент усиления по напряжению лежит в интервале от 10⁵ –10⁶. Поэтому для питающих напряжений, находящихся в диапазоне 10 – 15 В, линейная область передаточной характеристики по входу составляет от 0,1 мB до 10 мкВ, т.е. при линейном режиме работы ОУ входные напряжения U₊ и U _- практически равны, т.е. дифференциальный сигнал близок к нулю. Кроме того, если один из входов заземлен, то потенциал второго входа (как и первого) будет практически равен нулю. Об этих особенностях входа ОУ (которые упрощают анализ ее работы) будет сказано ниже. Если разность между U₊ и U _- больше 0,1 мB, то U_вых достигает напряжения источника питания и при дальнейшем увеличении разности входных напряжений, входы теряют свои управляющие свойства – ОУ оказывается в области насыщения. При этом напряжение на выходе не зависит от разности напряжений на входе ОУ. Такое положение недопустимо и для его предотвращения необходимо принимать специальные меры – вводить отрицательную обратную связь, которая ослабляет усиление и заодно улучшает частотную характеристику ОУ. Поэтому в усилительных устройствах ОУ работают всегда с внешними цепями обратной связи, подключаемыми с выхода на инвертирующий вход ОУ.

Помимо большого коэффициента усиления по напряжению ОУ обладают большим входным и малым выходным сопротивлениями. Большое входное сопротивление достигается за счет выбора соответствующего режима работы транзисторов. Иногда на вход ОУ подключают эмиттерный или истоковый повторители с большими входными сопротивлениями. Если во входном каскаде используются биполярные транзисторы, то их входные токи измеряются микроамперами (значит сопротивления большие), а если используются полевые транзисторы – пикоамперами. В выходном каскаде ОУ всегда применяют отрицательную обратную связь (эмиттерный повторитель), которая позволяет получить достаточно малые выходные сопротивления.

Начальные входные и выходные напряжения ОУ относительно земли равны нулю. Равенство нулю выходных напряжений достигается применением двух источников питания, имеющих относительно земли одинаковые по величине положительные и отрицательные напряжения ± (6,3; 12,6; 15; 18 В).

Современные ОУ выполняются по весьма сложным схемам, анализ которых приводится в специальной литературе. Рассмотрим типичную (относительно простую) схему ОУ, на примере которой можно понять, каким образом разработчики ОУ добиваются требуемых параметров.