Операционный усилитель

Современные разработчики электронной аппаратуры стремятся использовать готовые функциональные узлы в виде интегральных микросхем (ИМС). Схемные решения ИМС тщательно проработаны и обеспечивают высокое качество аппаратуры. Предприятия, выпускающие микросхемы, заинтересованы в их сбыте. Поэтому они стремятся разработать универсальные микросхемы, которые можно применять в качестве различных функциональных узлов. Это повышает их спрос. Одной из таких ИМС является операционный усилитель (ОУ).

ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление ( десятки - сотни Ом). Он усиливает широкий спектр частот, вплоть до постоянной составляющей.

Схемное обозначение ОУ приведено на рис. 14.5а. На рис. 14.5б приведена упрощенная структурная схема. Она включает симметричный дифференциальный каскад (по схеме рис.14.3), несимметричный дифференциальный каскад (у него сигнал снимается с коллектора Т₂) и эмиттерный повторитель, Первые два каскада обеспечивают высокий коэффициент усиления, а третий каскад - малое выходное сопротивление.

Недостатки операционного усилителя:

1. Коэффициент усиления ОУ К_U меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Например, для ОУ серии К153УД1

2. Коэффициент усиления К_U сильно зависит от температуры окружающей среды. Это обусловлено зависимостью от температуры коэффициента передачи тока базы транзисторов -b.

Такая нестабильность К_U сильно затрудняет применение ОУ непосредственно в качестве усилителя. Кроме того, большое значение К_U ограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу (см.рис.14.6а). Например, если К_б =20000, а максимальное напряжение на выходе ОУ - , то максимально допустимый диапазон изменений входного напряжения лежит в пределах . При увеличении входного напряжения за эти границы выходное не будет изменяться. Появляются нелинейные искажения сигнала.

Значительно уменьшить недостатки ОУ позволяет применение ОС. Схема ОУ с ОС приведена на рис. 14.6б. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R₁R₂ поступает на инвертирующий вход ОУ

. (14.14)

Выходное напряжение ОУ представляется разностью U_вх -U_ОС. Такая ОС называется отрицательной ООС.

При высоких значениях К_U разностью (U_вх- U_OC) можно пренебречь, полагая . Тогда коэффициент усиления ОУ с ООС К_Uoc легко определить с учетом (14.14)

= = . (14.15)

Видим, что К_Uoc определяется лишь отношением сопротивлений (R₁ + R₂)/R₁ и не зависит от К_U, т.е. все дестабилизирующие факторы ликвидированы. В практических схемах значения сопротивлений следует выбирать в пределах 10³ ¸ 10⁶ Ом. Например, при R₁ = 2 × 10³ Ом и R₂ = 2× 10⁵ Ом. К_Uос = 101. Теперь передаточная характеристика ОУ с ОС будет иметь достаточно большую область линейного участка. Для наших примеров диапазон входного сигнала расширяется до значения ±0,1В (пунктир на рис. 14.6а).

Схема инвертирующего ОУ с ООС приведена на рис. 14.6В. В этой схеме входной сигнал и сигнал ООС поступают на инвертирующий вход ОУ. При этом происходит сложение токов I_вх и I_oc. Коэффициент усиления в этой схеме определяется отношением

.

Знак минус указывает, что фазы входного и выходного сигналов противоположны.

Таким образом, введение ООС в схему ОУ позволяет повысить стабильность коэффициента усиления, расширить линейный участок передаточной характеристики и снизить искажения при передаче сигналов большой амплитуды.