Операционные усилители

 

Микросхемы «Интегральные операционные усилители» (ИОУ) построены на основе транзисторных дифференциальных усилителей постоянного тока. Поэтому они могут работать как на постоянном токе (напряжений), так и на переменном токе (напряжений) любой формы в широком диапазоне частот. Интегральный операционный усилитель по своим параметрам и характеристикам можно считать идеальным усилителем. Поэтому он составляет основу всей аналоговой электроники. Их изготавливают по специальной микроэлектронной технологии в виде монолитных интегральных схем, которые по габаритам и цене почти не отличаются от транзистора. Поэтому реа­лизация различных функциональных блоков на основе ИОУ оказыва­ется значительно проще, дешевле и надежнее, чем на отдельных тран­зисторах. Это и предопределило их широкое применение в различных областях электроники для создания различных устройств преобразо­вания сигналов.

Интегральные операционные усилители имеют большой по вели­чине коэффициент усиления, что позволяет использовать глубокую ООС, при которой выполняется условие . А это значит, что коэффициент усиления усилителя, построенного на ИОУ, охваченном глубокой ООС, зависит только от параметров цепи отрицательной об­ратной связи, т. е. . Следовательно, свойства и параметры такого усилителя определяются структурой и параметрами це­пи обратной связи. При соответствующих структуре и параметрах цепи обратной связи операционный усилитель может выполнять оп­ределенные математические операции - суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др. Поэтому такие усилители и называют операционными.

На рис. 1 показано стандартное условное обозначение ИОУ в схемах.

 

Рис. 1

 

 

На рис. 1 знак указывает на то, что это усилитель, а знак ∞ обозначает, что усилитель имеет большой коэффициент усиления. Так как ИОУ является дифференциальным усилителем, то у него имеются два входа (слева вверху) и один выход (справа вверху). Вход с кружоч­ком - инвертирующий вход (кружок - знак инверсии), а без кружочка - неинвертирующий. Выводы U₁, U₂и OУ служат для подключения к ИОУ напряжений источника питания: U₁ — +U_n1, U₂ — -U_n2, OV — общий провод источника питания. Выводы FC служат для подключения внешней схемы частотной коррекции ИОУ, а выводы NC- для подключения внешней схемы балансировки (коррекции «О»).

Применение стандартного обозначения ИОУ обязательно во всех официальных документах и схемах.

Однако в учебных целях далее мы будем использовать более | удобное для понимания и запоминания тоже стандартное обозначение в виде треугольника, которое ранее получило широкое распространение в отечественной и переводной литературе (рис. 2).

 

Рис. 2

На рис. 2 показано условное обозначение ИОУ в виде тре угольника, как было уже сказано, интегральный операционный усилитель имеет два входа и один выход.

Один «вход Н» - неинвертирующий, при подаче на который входного напряжения U_вх1 напряжение U_вых будет «в фазе» с U_вх1(одной полярности), как это видно из рис. 3а.

 

Рис. 3б

Рис. 3а

 

 

Другой «вход И» - инвертирующий, при подаче на который входного напряжения U_вх2 выходное напряжение U_вых будет «в противофазе» с U_вх2 (противоположной полярности), как это видно из рис.3б.

В общем случае U_вых пропорционально разности входных напряжений U_дф= U_вх2 – U_вх1.

Операционный усилитель питается от двух источников питания с одинаковыми напряжениями U_n1 и U_n2, чаще всего величиной 15В каждое. Входные напряжения U_вх1 и U_вх2 подключаются, а выходное напряжение U_вых снимается относительно общего провода, подклю­ченного к общей точке А соединения выводов источников питания (рис.2). На принципиальных электрических схемах устройств обычно указывают только входные и выходные клеммы (выводы).

Работа ИОУ характеризуется несколькими параметрами и ха­рактеристиками. Рассмотрим основные из них.

Передаточная характеристика (ПХ) ИОУ (часто называемая ам­плитудной характеристикой АХ)

U_вых = К_uU_дф = K_u (U_вх2 – U_вх1)

где К_u – коэффициент усиления по напряжению.

На рис. 4 приведена передаточная характеристика (ПХ) типового

ИОУ.

 

Рис. 4

Линейная часть передаточной характеристики является рабочей частью ПХ усилителя. Следовательно, коэффициент усиления ИОУ определяется тангенсом наклона ПХ к оси U_дф, т. е.

 

Для типовых ИОУ коэффициент усиления К_u имеет величину в пределах 10⁴ 10⁶.

Идеальная ПХ проходит через нулевую точку (сплошная линия на рис. 4) Однако реальная ПХ из-за неидентичности параметров входных цепей обычно смещена в ту или иную сторону на величину U_см (пунктир на рис.4). Параметр U_см называется напряжением смещения и составляет несколько милливольт, если ИОУ изготовлено на базе биполярных транзисторов, или несколько десятков милливольт, если ИОУ изготовлено на базе полевых транзисторов. Для смещения реальной ПХ в нулевую точку при U_вх1 = 0 и U_вх2 = 0 у многих ИОУ предусмотрены специальные выводы балансировки.

Динамические свойства ИОУ оцениваются по амплитудно- частотной характеристике (АЧХ) или по максимальной скорости нарастания U_выхпри подаче на вход ступенчатого напряжения максимально допустимой амплитуды. Скорости нарастания V _Uвыху различных ИОУ имеют значения 0,3 50 В/мкс. Кроме этих параметров в справочниках указаны и другие параметры, номинальные и пре­дельно допустимые.

Для устранения самовозбуждения усилителей на ИОУ использует­ся частотная коррекция, которая осуществляется путем подключения к пецииальным выводам в корпусе ИОУ внешних конденсаторов и рези­сторов. Для различных ИОУ используются свои цепи частотной коррек­ции, указанные в справочниках. В некоторых ИОУ имеется внутренняя коррекция. В табл. 1 приведены параметры некоторых типов ИОУ.

 

Таблица 1

Параметр	Тип ИОУ
140УД6А	К157УД2 двухканальный	574УД1Б быстродействующий	153УД1
Uпит, В
Iпот, мА, не более	2,8
КU
Iвх, мкА, не более	0,03	0,5	0,0005	0,6
Uсм, мВ, не более
Uвых, В, не менее
Rвх, кОм, не менее			-
Rвых, Ом, не более	-	-	-
Rн, кОм, не менее	2,0	1,5	2,0	2,0
Частотная коррекция	внутренняя	внешняя	внутренняя	-