Операционные усилители. 
Электротехника и электроника

Операционным называют усилитель, реализованный на основе объединения дифференциальных каскадов с непосредственными (гальваническими) межкаскадными связями. Подобные усилители были разработаны для выполнения математических операций (суммирования, интегрирования, умножения на коэффициент) в аналоговых моделирующих средствах.

В стандартных операционных усилителях (ОУ) преимущественно используется двухполярное напряжение питания от источников + V_u и -V_n с общей точкой корпуса (рис. 17.5, а), что при отсутствии входного сигнала позволяет иметь нулевые потенциалы входных и выходного зажимов относительно корпуса.

В настоящее время выпускаются множество интегральных ОУ, которые можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими и эксплуатационными характеристиками. Первые микросхемы ОУ были реализованы на биполярных структурах. Совершенствование технологии привело к совместному использованию в ОУ каскадов на биполярных и полевых транзисторах, а исполнение дискретно-анато;

Рис. 17.5. Схемное обозначение ОУ («), его проходная (б) и частотная (в) характеристики говых устройств полностью по МДП-технологии стимулировало разработку ОУ исключительно на МДП-транзисторах. Для специальных применений были созданы экономичные ОУ с однополярным электропитанием, номиналы которого совпадают с напряжением источников питания цифровых логических элементов. Для удобства построения аналоговых преобразователей выпускаются микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ.

Операционные усилители описывают следующими группами основных параметров: точностных (коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигналов, напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазного сигнала, входные токи); динамических (частоту единичного усиления, время установления и скорость нарастания сигнала); эксплуатационных (напряжения электропитания, ток потребления).

Основные классификационные признаки ОУ связывают преимущественно с проходной и амплитудно-частотной характеристиками. Проходные характеристики О У могут быть раздельно построены для входов неинвертирующего г/_иых(г/_их1) и инвертирующего w_Blix (^wbx2) сигналов (рис. 17.5, б). Характеристики принято аппроксимировать прямолинейными участками: средним с наклоном К^и = Д[/_ВЬ!Х/Д[/_ВХ, определяющим коэффициент усиления по одному входу, и областями ограничения, которые зависят от напряжения источников электропитания U_m = ±0,8 V,. Из проходной характеристики можно определить важный точностной параметр ОУ — смещение нулевого уровня U_CM1 т. е. постоянного напряжения на выходе при нулевом входном сигнале.

Частотную характеристику устойчивого О У принято описывать приближенным соотношением.

где/_с — частота среза, на которой К^и уменьшается в V2 раз, или на 3 дБ.

Такой вид характеристики сложного многокаскадного усилителя получают посредством введения цепей внутренней коррекции, и результирующую ЛАЧХ (рис. 17.5, в) аппроксимируют двумя отрезками: K^u(f) = К⁰ при 0 </</_с и K^u(f) = K°f_c/f при/>/_с.

В соответствии со значениями основных параметров многообразие выпускаемых ОУ принято объединять в несколько групп.

Универсальные усилители общего назначения составляют большую часть номенклатуры ОУ. Это усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности, с типичными параметрами: К^и= 10³ — Ю⁵,^ = 0,1 — 10 МГц. Прецизионные ОУ характеризуются суммарной погрешностью преобразования не более долей процента при среднем быстродействии с высоким коэффициентом усиления напряжения, малым напряжением смещения нуля, большим коэффициентом подавления синфазного сигнала, малым входным током. Быстродействующие усилители имеют высокую частоту единичного усиления/! = 50—1000 МГц. Микромощные усилители потребляют очень малый ток /_пит порядка 1мкА при небольших уровнях напряжения электропитания Uицт ⁼ ±1"^5 В. Мощные и высоковольтные усилители имеют разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 В и выходной ток 0,1 —1 А.

При анализе преобразователей на основе ОУ применяют макромодели, описывающие взаимосвязь величин на внешних зажимах, базирующихся на паспортных данных. Простая макромодель ОУ в линейном режиме имеет три каскада, формирующие входные, проходные и выходные характеристики (рис. 17.6).

В приведенной схеме резистор 7?_д отображает входное сопротивление для дифференциального сигнала; резисторы R_c — сопротивления входов относительно общей точки (корпуса); резистор Гу — выходное сопротивление; идеальный источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) с коэффициентом G и цепыо гС моделирует частотную зависимость коэффициента передачи; источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН) с коэффициентом К_с формирует общий коэффициент усиления К° = K_cGr. При машинных расчетах используют более сложные модели операци;

онных усилителей, учитывающие нелинейности и другие характеристики. Так, для учета взаимодействия устройства с источником сигнала и нагрузкой входной и выходной каскады моделируют на компонентном уровне.

При проектировании преобразователей на базе О У пользуются упрощенными моделями, которые дают возможность наглядно оценить принципы функционирования устройств и их основные характеристики. С учетом специфики параметров ОУ (большое значение К^и, высокое 7?_вых, малое г_вых) используют приближение идеального операционного усилителя (ИОУ), моделью которого служит управляемый источник ИНУН с /_вх = 0, г_вых = 0 и неизменным во всем частотном диапазоне большим значением К°. Модель ИОУ предоставляет возможность анализа преобразователей на основе ОУ с обратными связями (рис. 17.7, а).

Рис. 17.7. Преобразователь (а) и его эквивалентная схема (б).

Применение модели ИОУ приводит к простой эквивалентной схеме устройства на ОУ с обратными связями (рис. 17.7, б). Схемы с ИОУ анализируют с помощью узловых уравнений, причем большое значение коэффициента усиления приводит к соотношению ф! ~ ф₂, которое записывают вместо уравнения для потенциала выходного узла 3. Запись и решение уравнений в соответствии со сформулированными правилами позволяют записать выражение выходного напряжения в виде f/₃ = kVk₂V₂ с коэффициентами.

При г_вых = 0 потенциал щ выходного зажима ИОУ не зависит от подключенных к нему внешних элементов, что приводит к разделению полной системы уравнений на подсистемы, которым можно поставить в соответствие отдельные функциональные модули.