Операционные усилители

ОУ – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлением, применяемый в качестве активного элемента в схемах с глубокой ООС. Название указывает на область применения: реализация математических операций.

Основу ОУ составляет дифференциальный усилительный каскад:

ДУ усиливает разность подаваемых на его входы напряжений

,

где – дифференциальное входное напряжение;

– дифференциальный коэффициент усиления.

В действительности на выход ДУ влияет также синфазное входное напряжение:

Его влияние на выходной сигнал определяется синфазным коэффициентом усиления:

при

Таким образом, выходной сигнал ДУ равен

Качество дифференциального усилителя определяется коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

Способность ослаблять синфазный сигнал обусловлена симметрией схемотехнического решения, что легко реализуется в интегральных схемах:

Величина определяется параметрами элементов схемы:

Приближённо

Характеристики ОУ

	Параметр	Идеальный	Типичный
Передаточные	Коэффициент усиления без ОС Ку, В/В		(1…100)
Коэффициент ослабления синфазного сигнала(КООС) , дБ		60…120
Полоса единичного усиления , Гц
Входные	Напряжение смещения на входе – дифференциальное входное U(напряжение, которое нужно подать на вход, чтобы получить 0 на выходе), Uсм, мВ		0.5…5
Температурный дрейф напряжения смещения, Uт, мкВ/		1…50
Входное сопротивление, Rвх, Ом
Синфазное входное сопротивление
Максимальное входное дифференциальное напряжение , В		0.25(2Uп)
Диапазон входных напряжений
Выходные	Диапазон выходных напряжений
Выходной ток		1…30
Полоса пропускания на полной мощности
Переходные	Время нарастания , с
Скорость нарастания , В/мкс		60…100
	Коэффициент ослабления отклонений напряжения питания(КОНП)		60…100
Потребляемый ток

U_CM - это дифференциальное входное напряжение необходимое для получения нулевого сигнала на выходе ОУ.

U_t - температурный дрейф напряжения смещения нуля – приращение напряжения смещения при изменении температуры на °С

R_ВХ – отношение приращения входного дифференциального сопротивления к приращению входного тока в пределах линейного участка характеристики.

U_С – диапазон синфазных напряжений – диапазон напряжения, при котором сохраняется работоспособность ОУ.

U_D max – максимальное дифференциальное напряжение.

A_D – коэффициент усиления дифференциального напряжения

КОСС – коэффициент ослабления синфазного сигнала

f_T – полоса единичного усиления – характеризует частотные свойства ОУ.

диапазон выходного напряжения

полоса пропускания на полной мощности – передача сигнала без искажения

допустимый входной ток

питание

минимальные и максимальные питающие напряжения ± 3 …±18В

потребляемый ток - потребление тока для собственной работы

коэффициент ослабления отклонений напряжения питаний – КОНП изменение напряжения влияет на коэффициент усиления ОУ.

переходные характеристики

- скорость нарастания [В/мкс] Vн – это характеристика переходного процесса

время нарастания

Структура ОУ

ОУ, как правило, имеет 1-2 дифференциальных усилительных каскада (каскад сдвига уровня и выходной каскад).

Свойства ОУ

Свойства схем с ОУ определяются параметрами цепей ОС. Чтобы показать это, изобразим эквивалентную схему ОУ:

Схема замещения реального операционного
усилителя для малых сигналов

Упрощённая эквивалентная схема ОУ с ООС

Запишем уравнения токов

Выходное напряжение:

, отсюда

Из системы четырёх уравнений найдём выражение для коэффициента передачи усилителя с ОС.

Учтём, что . Подставив сюда выражения для токов и U₀, получим

Приводим подобные,

преобразуем

и получаем

Окончательно

Учитывая, что

получаем, что коэффициент передачи операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, с высокой точностью определяется отношением сопротивлений в цепи обратной связи:

При последующем (предварительном) анализе схем с ОУ можно пользоваться допущениями: