Операционный каскад усилителя

 

Операционными усилителями ( ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малым значением напряжения смещения нуля и входного тока. .Кроме того, к ОУ предъявляются в большинстве случаев требование согласования входных и выходных напряжений по постоянной составляющей, что необходимо в тех случаях, когда ОУ охватывается обратной связью, пропускающий на вход постоянную составляющую выходного сигнала.

Термин "операционный усилитель" возник в аналоговой вычис­лительной техники, где подобные усилители с соответствующими обратными связями, применялись для модулирования различных мате­матических операций (интегрирование, суммирование и т.д.).

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами обратной связи. ОУ выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевы­ми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом

усиле­ния, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолит­ных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

 

 

 

а) обозначение по ГОСТ ;

б) обозначение в технической литературе

Рисунок 1.63 - Условное обозначение операционного усилителя

 

Операционный усилитель (условное обозначение которого показа­но на рисунке 1.63) имеет один или два входа. ОУ, имеющий два сим­метричных входа, выходной сигнал которого является функцией разности вход­ного напряжения или тока,

 

называется дифференциальным., полусуммы входных напряжений называется синфазным входным напряжением. Один из входов (обозначается " о ") называется инвертирующим и характери­зуется изменением фазы выходного сигнала на 180°. Второй вход ОУ называется неинвертирующим. Входной и выходной сигналы синфазны. Выводы +U, -U ,┴ предназначены для подключения ОУ к двухполярному источнику электропитания. напряжения при отсутствии постоянного сигнала на входе. Выводы FC предназначены для коррекции частотной характеристики ОУ. Для компенсации смещения к выводам NC подключаются перемен­ные резисторы.

Структурная электрическая схема приведена на рисунке 1.64.

 

Рисунок 1.64 - Структурная схема операционного усилителя (а) и его

передаточная характеристика (б)

 

Схема структурная ОУ определяется входным каскадом, построенным по схеме дифференциального каскада с эмиттерной связью и резисторами нагрузки. Поскольку входное сопротивление дифферен­циального каскада обратно пропорционально уровню рабочего тока I_оду, то этот ток выбирается на уровне десятков микроампер [ напомним, что при уменьшении уровня тока I_оду улучшаются дрейфо­вые и шумовые параметры дифференциального усилителя (ДУ) ]. Из-за малого уровня тока I_оду простой ДУ обладает малым коэффициен­том усиления. Малое значение коэффициента усиления вынуждает использовать с схеме последующий каскад усиления напряжения ( УН ), а повышение постоянного уровня - влечёт за собой применение специального каскада для сдвига потенциалов из положительной облас­ти в отрицательную, чтобы затем получить двухполярный выходной сигнал. Схемы сдвига уровня, интегрирующее звено и формирователь выходного сигнала обычно совмещается в каскаде - усилитель ампли­туды сигнала ( УАС ). Для перехода к низкоомной нагрузке практически все ОУ заканчиваются повторителями напряжения

(ПН ),которые почти не участвуют в формировании коэффициента усиления, но

опре­деляют нагрузочную способность ОУ. Каскады УН и УАС различаются тем, что первый работает в режиме малых сигналов, а второй - в режи­ме большого

 

сигнала. Условно можно сказать, что амплитуда сигнала в первом каскаде много меньше, чем во втором - соизмерима с уров­нем питающих напряжений .+U и -U. Полный коэффициент передачи ОУ:

 

K_∑=K₁·K₂·K₃·К₄ = S₁ / w·C_к, ( 1.59)

 

где S₁- крутизна первого дифференциального каскада;

w - частота переменного гармонического входного сигнала;

С_к - ёмкость коррекции.

Формула показывает, что с ростом частоты w коэффициент усиле­ния ОУ понижается. Крутизна S₁ дифференциального каскада и ём­кость коррекции С_к влияют на скорость снижения коэффициента усиления ОУ. В то же время этой формулой нельзя пользоваться, если частота w—>0, так как в этом случае К →∞. Иначе говоря, эта формула отражает на постоянном токе свойства идеального ОУ. Поэтому в реальном усилителе рост коэффициента усиления будет продолжаться до тех пор, пока он не станет равным значению K(w=0) на постоянном напряжении. График зависимости коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведена на рисунке 1.65,а. Этот график пос­троен в логарифмическом масштабе по формуле

 

K = 201g(S₁/w·Cк) [дБ], ( 1.60)

где К [дБ]- коэффициент усиления в децибелах.

 

Пользуясь частотной зависимостью коэффициента усиления, мож­но определить предельную частоту ОУ, на которой коэффициент уси­ления становится равным единице (или К(w_пр) = 0дБ):

 

W_np = S₁ / C_K . ( 1.61 )

 

 

 

Рисунок 1.65 – Графики частотной зависимости коэффициента усиления

ОУ (а) и максимальной амплитуды выходного сигнала (б)

 

 

 

Динамические свойства ОУ часто описывают при помощи скорос­ти нарастания выходного напряжения V_Uвых. Следует отметить, что для определения скорости нарастания на вход ОУ необходимо подавать столь большое входное напряжение, чтобы дифференциальный кас­кад полностью переключался из одного состояния в другое. Ёмкость С_к должна быть настолько большой, чтобы усилитель имел устойчивый запас по фазе на частоте w_np (т.е. дополнительный набег фазы не пре­вышает 90°). Это позволяет использовать ОУ с замкнутой обратной связью без опасности его самовозбуждения. Уменьшение ёмкости С_к приводит к увеличению усиления и максимальной скорости нараста­ния, однако это можно сделать только в том случае, если коррекция выполняется внешним элементом.

Применение ОУ. Неинвертирующий и инвертирующий усилитель.

На рисунке 1.66 приведена схема неинвертирующего усилителя ( не меняющего полярность усиливаемых сигналов ), где сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁ . Цепочка С₂R₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ.

Рисунок 1.66 – Схема принципиальная неинвертирующего усилителя выполненного на

ОУ

 

Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана последовательная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя R₃ / R₄ . Коэффициент усиления такого устройства практически равен

 

К_uнеин. = 1 + R₃ / R₄ . ( 1. 62 )

 

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₃ .

 

 

 

 

Рисунок 1.67 - Схема принципиальная инвертирующего усилителя выполненного на ОУ

 

На рисунке 1.67 приведена схема инвертирующего усилителя ( меняющего полярность усиливаемых сигналов ), где сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁ . Цепочка С₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ. Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана параллельная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя

R₂ / R₁ . Коэффициент усиления такого устройства практически равен

 

К_{u ин.} = - R₂ / R₁ . ( 1. 63 )

 

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₂ .