Операционный усилитель. Компенсационный стабилизатор напряжения

В практике достаточно широко используются компенсационные стабилизаторы, основным элементом которых является операционный усилитель.

Операционный усилитель (ОУ) это интегральная микросхема (ИМС) состоящая из множества слоев полупроводника, в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем. ОУ (рис. 8) имеет входы для подключения питания (+Е_П и –Е_П), прямой u_вх1 и инверсный вход u_вх2 (отмеченный на схеме знаком инверсии в виде кружка) и выход u_вых.

Рис. 8. Операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению К_u=u_вых/u_вх →∞, больше входное сопротивление R_вх →∞, малое выходное сопротивление R_вх→0. Коэффициент усиления ОУ составляет десятки и даже сотни тысяч. ОУ является усилителем постоянного тока , т. е. усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. При этом дрейф нуля ОУ очень мал. ОУ имеет дифференциальный вход u_вых=К_u(u_вх1 - u_вх2).

При подаче сигнала на прямой вход выходное напряжение u_вых=К_uu_вх1 , при подаче на инвертирующий вход u_вых= - К_uu_вх2.

Схема (рис. 9) стабилизатора содержит операционный усилитель D, выход которого соединен с базой транзистора VT. Транзистор включен последовательно с нагрузкой R_н и регулирует выходной ток I_вых.

Рис. 9. Компенсационный стабилизатор напряжения

На прямой вход операционного усилителя подается эталонное напряжение U₀, со стабилитрона V, который включен последовательно с ограничительным резистором R_б. Совокупность стабилитрона V и резистора R_б представляет параметрический стабилизатор напряжения. На инвертирующий вход операционного усилителя подается напряжение U, с высокоомного резистивного делителя напряжения, построенного на резисторах R₁ и R₂, который включен параллельно нагрузке R_н.

Напряжение U на выходе делителя пропорционально входному напряжению U= U_вых R₂/( R₁+R₂)= γU_вых, где γ – коэффициент пропорциональности γ= R₂/( R₁+R₂).

Стабилизатор работает следующим образом. Пусть возросло входное напряжение U_вх. Это вызывает увеличение выходного напряжения U_вых. При этом возрастает напряжение U на плече R₂ делителя. На входы операционного усилителя D поступают напряжение U₀ и U. Напряжение на его выходе U^D = К_u (U₀ -U) уменьшается. Одновременно уменьшается базовый ток I_Б^VТ транзистора VТ.

Это приводит к снижению коллекторного тока I_К^VТ =I₀ +βI_Б^VТ транзистора VТ, который протекает по нагрузке I_К^VТ =I_вых. Падение напряжения на нагрузке уменьшается. Выходное напряжение U_вых снижается до первоначального значения.

Если входное напряжение U_вх уменьшилось, оставаясь больше напряжения стабилизации стабилитрона V, то уменьшается выходное напряжение U_вых и напряжение U на инвертирующем входе операционного усилителя. Это приводит к увеличению напряжения на выходе операционного усилителя D. Происходит положительное приращение базового тока I_Б^VТ транзистора VТ. Увеличивается его коллекторный ток I_К^VТ и ток нагрузки I_вых таким образом, что падение напряжения на нагрузке U_вых остается неизменным.

В операционном усилителе разность напряжений между входами практически равна нулю т. е. U₀ –U= U₀ – γU_вых=0, поэтому U_вых= U₀ /γ.

Чем выше коэффициент усиления операционного усилителя тем точнее выполняется приведенное равенство, тем выше коэффициент стабилизации К_с.

Коэффициент стабилизации может быть К_с >10³, а внутреннее сопротивление стабилизатора R_н=0,01…0,001 Ом.