Операционные усилители. 
Электроника

Входные каскады операционных усилителей (ОУ) построены на основе ДУ: ОУ представляет собой аналоговую ИС, на выходе которой формируется напряжение С/₀, равное по величине усиленной разности и_] — и₂ между двумя входными напряжениями V, и Ц₂ (рис. 8.13), т. е.

где К — коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

На рис. 8.13 показаны схемные обозначения ОУ (треугольником обозначен ОУ, включающий многокаскадный усилитель напряжения, содержащий от десятков до сотен транзисторов): а — основное обозначение; бив — обозначения с указанием функционального назначения входов. В идеале ОУ чувствителен только к разности входных напряжений ?/_д = и _х — V ₂ (см. п. 8.3.1), которая называется дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к общей для обоих входов составляющей входных сигналов. Общая составляющая, которая называется синфазным сигналом, определяется формулой.

Если на вход ОУ подать только напряжение и_х ((/₂ = 0), то и_о = Ки_х, т. е. выходное напряжение (/₀ равно усиленному не инвертированному входному сигналу 1/_1# при этом нижний вход (см. рис. 8.13, б) называется не инвертирующим. И наоборот, если на входе есть только сигнал и₂ (?/, = 0), то выходной сигнал С/₀ = -К11₂ — инвертированный усиленный сигнал и₂, а соответствующий (верхний) вход называется инвертирующим (см. рис. 8.13, б). В общем случае схема ДУ должна включать и подключения источника питания, однако для упрощения схемы подключения источника питания обычно не изображаются.

Диапазон изменения напряжений на входе для обеспечения правильного функционирования ОУ ограничивается таким образом, чтобы это напряжение не было мень;

Рис. 8.13.

Рис. 8.14.

ше -0,5 В. Напряжение ?/₀ на выходе ОУ не может превысить напряжения источника питания. При этом максимальное значение и_о всегда по крайней мере на 1 В меньше абсолютной величины питающего напряжения. При низкоомной нагрузке и_о заметно меньше этой максимальной величины: большинство ОУ питаются от сдвоенного источника питания с отрицательным и положительным полюсами, подключенными к специальным выводам ОУ (см. рис. 8.13, в).

Идеальная передаточная характеристика ОУ (рис. 8.14) представляет собой ломаную линию, состоящую из линейно восходящей (область усиления) и горизонтальной (область насыщения). В области насыщения выходное напряжение ограниченно напряжением питания и, как только что отмечено, ниже его на 1…2 В (см. рис. 8.14). Коэффициент усиления К в ОУ очень велик, особенно при работе на низких частотах, где он достигает значений 10⁵…10⁶, поэтому ширина линейной зоны (диапазон изменения входных напряжений) весьма незначительна (см. рис. 8.14, кривая 2). При напряжении питания ±10 В и указанных коэффициентах усиления диапазон изменения входных напряжений, соответствующий линейному участку, составляет 0,02…0,2 мВ, т. е. достаточно малые входные сигналы < 1 мВ вызывают уже насыщение усиления и при больших значениях входных сигналов возникают нелинейные искажения. По этой причине и ряду других на практике обычно применяют ОУ с обратной связью (ОС) (рис. 8.15, а). В этом случае часть выходного напряжения через элемент отрицательной обратной связи Z₂ подается на инвертирующий вход. Величина напряжения, поступающего на вход за счет ОС, определяется делителем напряжения Z_l9 Z₂. Ко рне. 8.14.

Рис. 8.15.

эффициент, показывающий, какая часть напряжения поступает с выхода на вход, называется коэффициентом обратной связи (/''). Для схемы простого делителя напряжения на рис. 8.15, а F = 7^_х/{^_х + Z₂)y при этом дифференциальная составляющая напряжения на входе ОУ = и_{ — (III + Р1/₀)_у где и изменение и₂ из-за наличия ОС. Коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью К_ог равен.

где К — коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

При FK 1 соотношение (8.22) принимает вид К_ос ~ K/FK ~ «1/F, т. е. К_ж не зависит от К, а определяется главным образом параметрами ОС. Для схемы на рис. 8.15, а.

Наличие отрицательной обратной связи значительно расширяет динамический диапазон входных напряжений, при этом передаточная характеристика имеет вид кривой 2 на рис. 8.14.

Коэффициенты усиления ОУ без ОС обычно сильно отличаются друг от друга (порой в десяток раз) даже в пределах партии однотипных ОУ. Кроме того, К сильно зависит от частоты входного сигнала и может изменяться от 10⁶ на частоте 10 Гц до единицы и менее на частотах в несколько МГц. Колебания напряжения питания и температуры также сильно влияют на величину К.

На практике достаточно часто применяют ОУ с ОС при отсутствии делителя напряжений, когда инвертирующий вход закорачивается на выход (рис. 8.15, б). Коэффициент усиления в данном случае равен +1. Схема имеет наименование повторителя напряжения_у так как выходное напряжение ОУ повторяет входное. Повторитель напряжения имеет очень большое входное сопротивление и весьма малое выходное, поэтому он используется для согласования относительно низкоомной нагрузки с высокоомным источником сигнала без заметного уменьшения амплитуды сигнала.

Существует достаточно много разновидностей включения ОУ, которые позволяют получать стабильные параметры, устойчивые в широком диапазоне изменения входных величин и окружающих условий, что определяется конкретным функциональным назначением ОУ. Они находят очень широкое применение в различных устройствах и схемах. Отметим только некоторые из них: преобразователь ток — напряжение; преобразователь напряжение — ток; источник тока, управляемый напряжением; вычитающий усилитель; активный фильтр низких частот — интегратор; прецизионный детектор или выпрямитель; логарифмический преобразователь; стабилизатор положительного напряжения; фазовращатель с высоким входным и низким выходным сопротивлениями, мультиплексор аналоговых сигналов, генератор импульсов и т. д.