ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

 

В таблице классификации усилителей ОУ относится к усилителям постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход. В электронных схемах ОУ обозначается следующим образом (рисунок 2.37):

Рисунок 2.37 – Условное изображение ОУ

Название «операционный усилитель» связано с первоначальным их применением для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие). В настоящее время ОУ применяются в устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения. Идеальный ОУ имеет K_u, стремящийся к бесконечности (у реальных ОУ он обычно превышает 105), обладает большим входным (106 Ом) и малым выходным сопротивлением (доли Ом).

Один вход ОУ (_Uвх.н, «+») – называется не инвертирующим, а второй (U_вх.и, «−») – инвертирующим. При подаче сигнала на не инвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешний ООС.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, который используется в качестве выходного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ЭП), который 101 обеспечивает нагрузочную способность всей схемы. Т. к. K_u (ЭП) = 1, то необходимое значение K_u ОУ обеспечивается подключением дополнительных каскадов между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества используемых каскадов, ОУ подразделяются на двух- и трехкаскадные. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в 2-х каскадных – с динамическими нагрузками.

Для иллюстрации рассмотрим принципиальную схему простейшего трехкаскадного ОУ (микросхема 140УД1) (рисунок 2.38).

 

 

Рисунок 2.38 – Принципиальная схема трехкаскадного ОУ

 

 

Питание схемы осуществляется от двух источников + E_k1 и – E_k2 с одинаковым напряжением, имеющим общую точку, модуль E_k1 равен модулю E_k2. Входной каскад выполнен на транзисторах VТ1, VT2 по дифференциальной схеме, который связан со вторым каскадом (транзисторы VТ5, VТ6). Резистор в цепи коллектора VТ5 отсутствует, т. к. выходной сигнал 2-го каскада снимается только с коллектора VТ6. R5 = R_э стабилизирует суммарный ток I_э VТ5 и VТ6. Т. о. падение напряжения на R5 от протекания тока I_э обоих транзисторов повышает потенциал их эмиттеров, что необходимо для непосредственной связи баз транзисторов с выходами предыдущего каскада.

Третий усилительный каскад выполнен на VТ7, VТ8, который связан с ЭП на VТ9. Если 1 и 2 каскады были включены по дифференциальной схеме, то 3 каскад представляет собой входной делитель ЭП.

Управление транзистором VТ7 производится по цепи базы выходным сигналом 2 каскада, а управление транзистором VТ8 - по цепи эмиттера напряжением на R12, которое создается при протекании через этот резистор I_э VТ9. VТ8 входит в контур «+» обратной связи, позволяющей обеспечить 102 высокий коэффициент усиления 3-го каскада. Совместное действие VТ7, VТ8 направлено либо на увеличение, либо на уменьшение (в зависимости от сигнала на входе VТ6) входного напряжения эмиттерного повторителя, т. е. потенциала базы VТ9 относительного шины – Е_к2. Повышение напряжения на базе VТ9 обусловлено уменьшением сопротивления постоянному току VТ7 и увеличением сопротивления VТ8, и наоборот.