Операционный усилитель (ОУ). Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он успешно применяется как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т. п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т. д.). На ранних этапах развития вычислительной техники ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций с сигналами. Отсюда и появилось его наименование — операционный (решающий) усилитель.

Основные параметры ОУ должны удовлетворять ряду требований как в отношении электрических характеристик, так и его конструктивного выполнения.

Требования к электрическим характеристикам ОУ связаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент усиления по напряжению; большое входное и малое выходное сопротивления; линейность передаточной характеристики; высокую верхнюю граничную частоту пропускания.

Требования к конструктивному исполнению ОУ сводятся к следующим особенностям его конструкции: наличию двух автономных входов (1) и (2) с общей точкой, соединенной с массой усилителя; выполнению одного из входов (1) с неинвертирующим (совпадение по фазе), а другого (2) с инвертирующим (в противофазе) включением по отношению к выходному сигналу.

Заметим, что в условном обозначении ОУ (рис. 11.15, а) показаны лишь шесть основных зажимов. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля, балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.

Рис. 11.15. Условное обозначение операционного усилителя (а) и его функциональная схема (б)

Рис. 11.16. Схема дифференциального усилителя с ООС, реализуемой посредством резистора

Основными показателями качества работы ОУ являются: коэффициент усиления по напряжению K_U, достигающий у лучших образцов значения до 10⁶; входное сопротивление R_вх (до 10⁹ Ом); верхняя граничная частота, достигающая у лучших образцов даже значения 50 МГц.

Благодаря высоким характеристикам и широкой доступности, обеспеченной серийным выпуском, ОУ нашли исключительно широкое применение в электронике и системах автоматики. На основе ОУ получены высококачественные линейные усилители, источники опорных напряжения и тока, генераторы импульсов, схемы сравнения (компараторы) и т. п.

Основу ОУ составляет дифференциальный усилитель, воздействуя на каналы прямой и обратной связи которого добиваются реализации задач, стоящих перед ОУ. Типовая функциональная схема ОУ приведена на рис. 11.15, б.

Как видно, ОУ можно представить в общем виде состоящим из трех каскадов: входного дифференциального усилителя (ДУ), имеющего симметричный вход и обеспечивающего высокую стабильность, малое напряжение шумов и т. п.; промежуточного усилителя напряжения (УН), выполненного, как правило, также в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления; выходного эмиттерного повторителя (ЭП), выполненного по двухтактной схеме и обеспечивающего малое выходное сопротивление ОУ.

Схемы разделения сигналов дифференциального усилителя (рис. 11.15) позволяют проводить анализ процессов в ОУ путем раздельного учета каждой из составляющих входного и выходного сигналов.

В операционных усилителях для связи дифференциального, промежуточного и, как правило, выходного усилителей используют несимметричный выход (например, только коллекторный зажим б транзистора VT2 на рис. 11.16, б). Однако при этом ухудшается работа всего ОУ, так как стабилизирующие свойства дифференциального каскада проявляются только относительно симметричного входа (между точками а и б). Для решения указанной проблемы в дифференциальном усилителе применяют стабилизирующую ООС по токам эмиттеров обоих транзисторов, реализуемую резистором R_Э (рис. 11.16).

Для количественной оценки стабилизирующих свойств дифференциального усилителя служит коэффициент ослабления синфазной составляющей, численно равный

где (K_U)_пф и (K_U)_сф — коэффициенты усиления каскада по напряжению для противофазного и синфазного сигналов соответственно. Коэффициент K_ос с удобно представлять в децибелах:

Как видно, дифференциальные усилители с лучшими стабилизирующими свойствами (меньшим дрейфом нуля) имеют большие значения K_ос.с. С увеличением сопротивления резистора R_Э (рис. 11.16) действие ООС усиливается, а следовательно, уменьшается значение (K_U)_сф при неизменной величине (K_U)_пф. В результате коэффициент K_{ос с} возрастает.

Таким образом, усиление действия ООС, ведущее к улучшению стабилизирующих свойств дифференциального усилителя, оценивают более высоким значением коэффициента ослабления синфазной составляющей K_{ос с}.

Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления ОУ. Как указывалось выше, улучшение стабильности работы дифференциального усилителя обеспечивается увеличением сопротивления резистора R_Э в схеме ООС (см. рис. 11.16).

Однако это вызывает пропорциональное снижение эмиттерных токов транзисторов VT1 и VТ2, что уменьшает максимальное выходное напряжение усилителя. Поэтому в схеме дифференциального усилителя вместо резистора R_Э применяют источник стабильного тока, имеющий бесконечно большое дифференциальное сопротивление. Кроме того, для стабилизации напряжения питания каскада используют специальный стабилизатор напряжения. Практическая схема дифференциального усилителя со стабилизаторами тока и напряжения приведена на рис. 11.17. Как видно, источник стабильного тока выполнен на транзисторе VT3 с диодным смещением (посредством диода VD), способствующим термостабилизации транзистора. Стабилизатор напряжения включает транзистор VT4, с помощью которого стабилизируется входное напряжение каскада (мостовой схемы).

Рис. 11.17. Схема дифференциального каскада со стабилизаторами тока и напряжения

Повышение входного сопротивления дифференциального усилителя достигается снижением базовых токов покоя транзисторов VT1 и VT2 (см. рис. 11.17) до ничтожно малых величин (единицы наноампер). Однако это ухудшает работу дифференциального усилителя из-за уменьшения его динамического диапазона, под которым понимают выраженное в децибелах отношение максимального сигнала к минимальному. Для предотвращения этого фактора в качестве приборов VT1 и VT2 применяют супер-бета транзисторы, отличающиеся чрезвычайно большими коэффициентами усиления по току (тысячи единиц) за счет использования в них предельно тонкой базы. Однако применение таких транзисторов заметно усложняет задачу стабилизации дифференциального усилителя. Поэтому в ряде случаев повышение входного сопротивления ОУ достигается использованием в его входном канале полевых транзисторов.