Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это модульный многоканальный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

С идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: бесконечный коэффициент усиления по напряжению К_u , бесконечное полное входное сопротивление Z_вх , равенство нулю выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе U_вых = 0 при U_вх = 0, бесконечно широкая полоса пропускания D _f (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

Само название "операционный усилитель" связано с матеметическими операциями, которые в начале развития вычислительных устройств осуществлялись с помощью операционных усилителей (ОУ). Функции современных интегральных ОУ стали более универсальными, а сами ОУ, являясь источниками напряжения, управляемыми напряжением, находят широкое применение в устройствах современной электроники.

Интегральные ОУ используются в качастве инвертирующих и неинвертирующих усилителей и повторителей напряжения во многих электронных устройствах. На их основе создаются различные интеграторы, дифференциаторы и сумматоры; схемы умножения, деления, логарифмирования, антилогарифмирования. Различные функциональные преобразователи, схемы сжатия сигнала, источники постоянного тока и стабильного напряжения, компараторы, гармонические и релаксационные генераторы, активные фильтры и другие устройства в большинстве случаев раелизуются на интегральных ОУ. Многие устройства на основе интегральных ОУ имеют малые габариты, массу и стоимость.

Условное обозначение ОУ показано на (рис. 1.1)

Рис. 1.1

Один из входов усилителя (+) называется неинвертирующим, а второй (-) или (o) - инвертирующим.

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак(противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

Блок - схема ОУ приведена на (рис. 1.2)

Рис. 1.2

Большинство интегральных ОУ выполняется в виде многокаскадных усилителей, содержащих входной, промежуточные и выходной каскады. Входной каскад ОУ - это дифференциальный усилитель. Дифференциальный каскад имеет высокий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы).

Синфазными сигналами называются поданные одновременно на оба входа сигналы с одинаковой фазой и амплитудой.

Дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад ОУ является наиболее ответственным, так как им определяется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

Напряжение сдвига - это небольшие по величине нежелательные сигналы, которые возникают внутри усилителя и приводят к появлению некоторого напряжения на его выходе при нулевых напряжениях на обоих входах.

Причиной их появления является неточное согласование напряжений эмиттер - база входных транзисторов.

За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и 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 оконченного каскада.

Выходной каскад должен обеспечить низкое полное выходное сопротивление ОУ и ток, достаточный для питания заданной нагрузки. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплиментарный эмиттерный повторитель.

Питание схемы осуществляется от двух источников +U_ип и -U_ип 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.

Таким образом, интегральные ОУ должны иметь как минимум пять выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), выходной и два вывода для подключения источников питания. Помимо того у интегральных ОУ могут быть два вывода для балансировки и два вывода для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).