Операционные усилители (ОУ)

Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителя K_U , Rвх , Rвых 0, f . ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним – усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 69.

Рис. 69. Графическое изображение ОУ

Выходное напряжение связано с входным напряжением Uвх1 и Uвх2 соотношением:

где К_U0 – коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем.

Операционный усилитель характеризуется следующими параметрами:

-коэффициент усиления по напряжению .

-амплитудно-частотная характеристика:

-

- частота единичного усиления fед – это частота, на которой коэффициент усиления К_U0=1;

- входное сопротивление Rвх. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы;

- выходное сопротивление Rвых обычно составляет сотни Ом;

- входные токи Iвх(-) и Iвх(+) - это токи, протекающие по входным шинам;

- выходной ток Iвых - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность.

- скорость нарастания выходного сигнала V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах/микросекунду;

- напряжение смещения Uсм. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно “0”. Обычно Uсм от единиц микровольт до десятков милливольт;

- мощность (или ток) потребления;

- дрейф напряжения смещения Uсм/градус;

- дрейф разности входных токов Iвх/градус;

- коэффициент подавления синфазных помех. Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно-допустимых основных эксплуатационных параметров.

Классификация ОУ. Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания. В зависимости от назначения ОУ можно подразделить на пять групп:

Универсальные ОУ (общего применения) – имеют средние характеристики, небольшую стоимость и применяются в большинстве приборов.

Прецизионные ОУ используются для усиления малых сигналов в информационно-измерительной аппаратуре. Такие ОУ должны иметь большой коэффициент усиления, малый уровень шумов, малые значения напряжения смещения, дрейфа напряжения смещения и дрейфа разности токов. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции-демодуляции. Например ОУ К140УД21, К140УД24 и др.

Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления fед.

Микромощные ОУ – отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора. Поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми.

Многоканальные ОУ – представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1401УД2.

Активные фильтры – используются для формирования частотной характеристики заданного типа. Активные фильтры представляют собой ОУ, в обратную связь которого включены частотозависимые элементы. Они подразделяются на фильтры низкой частоты, фильтры ВЧ, полосовые фильтры, режекторные (заградительные) фильтры. Для решения конкретных задач в настоящее время разработано множество разнообразных активных фильтров. Наиболее распространенными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и Бесселя. В зависимости от количества частотозависимых цепочек RC активные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д. порядка.