Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) – это унифицированный высококачественный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный, как правило, в интегральном исполнении.

Операционные усилители (иногда их называют решающими усилителями) ранее широко применялись в аналоговых вычислительных устройствах для реализации различных математических операций (сложения, вычитания, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д.), откуда и произошло их название. ОУ обладают рядом достоинств (большой коэффициент усиления напряжения, большое входное и малое выходное сопротивления, относительно малое потребление энергии, возможность усиливать как постоянное, так и переменное напряжение и др.), что обусловило широкое применение их в качестве устройств линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.

Идеальный ОУ обладает следующими электрическими параметрами:

- коэффициент усиления напряжения стремится к бесконечности (K_U0 → ¥);

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

- выходное сопротивление стремится к нулю (R_вых → 0);

- если входное напряжение равно нулю (и_вх = 0), то выходное напряжение также равно нулю (и_вых = 0);

- ширина полосы пропускания стремится к бесконечности (f_в ® ¥).

Следует отметить, что параметры реальных ОУ отличаются, а в некоторых случаях – существенно от приведенных выше. Но во многих случаях при решении практических задач те или иные параметры ОУ можно принимать как идеальные. Так, например, если требуется разработать усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления напряжения 100, то стандартный ОУ с коэффициентом усиления 250 000 можно рассматривать для этого случая как идеальный.

Условное графическое обозначение ОУ приведено на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Условное графическое обозначение ОУ

Треугольник в правом поле условного графического обозначения операционного усилителя означает, что ОУ относится к классу усилителей.

Как видно из рисунка 3.1, ОУ имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и один выход. На выходе ОУ формируется напряжение, определяемое выражением

, (3.1)

где U_вх+ и U_вх– – напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ соответственно;

K_U0 – коэффициент усиления напряжения ОУ.

Входные сигналы подают на ОУ относительно общего провода. Нагрузка подключается к усилителю между выходом и общим проводом (рисунок 3.2).

Для нормального функционирования ОУ требуется подключение к нему двух разнополярных источников питания +Е_п и –Е_п (двухполярный источник питания), причем . Общую точку двухполярного источника питания также подключают к общему проводу (общей шине для входных и выходного сигналов). В реальных ОУ напряжение питания лежит, в основном, в диапазоне ±6 В … ±15 В. Использование двухполярного источника питания обеспечивает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входных, так и выходного напряжений ОУ.

Рисунок 3.2 – Подключение к ОУ источников питания и нагрузки

На рисунках 3.1 и 3.2 показаны только шесть основных выводов ОУ. Однако реальные операционные усилители, применяемые в электронных устройствах, снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид АЧХ усилителя, балансировки, цепей устранения дрейфа нуля и других функций.

В учебной и технической литературе часто используют упрощенное условное графическое обозначение ОУ (рисунок 3.3, а). Как видно из рисунка, на таком УГО операционного усилителя не показаны выводы, к которым подключают источники питания. Кроме этого в литературе, особенно зарубежной, встречаются обозначения ОУ, начертания которых не соответствуют отечественному стандарту. Примеры таких обозначений показаны на рисунке 3.3, б.

а б

Рисунок 3.3 – Упрощенные УГО операционного усилителя

Чтобы обеспечить большой коэффициент усиления, реальные ОУ строятся на основе многокаскадных (чаще всего двух- или трехкаскадных) усилителей постоянного тока. Структурная схема трехкаскадного ОУ показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Структурная схема ОУ

Входной каскад ОУ (рисунок 3.4) обычно выполняют на основе дифференциального усилителя (ДУ), что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа нуля, получить достаточно большой коэффициент усиления напряжения, обеспечить высокое входное сопротивление и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие сигнала, обусловленные изменением температуры окружающей среды, напряжения питания, старением элементов и т. п.

Согласующий каскад служит для согласования выхода дифференциального усилителя (входного каскада) со входом оконечного (выходного) каскада ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов на входе оконечного каскада. В качестве согласующего каскада чаще всего так же, как и в качестве входного, используется дифференциальный усилитель.

Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двухтактной схеме, в которой транзисторы включены по схеме с ОК, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности и низкое выходное сопротивление ОУ.