Операционный усилитель
2.3.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей
Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.
Идеальный ОУ имеет следующие параметры:
- коэффициент усиления по напряжению 
;
- входное сопротивление 
;
- выходное сопротивление 
.
Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.
Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 2.4.
Здесь:
вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;
вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;
выход – однотактный;
+Еп и ‑Еп –‑ выводы двух источников питания Еп или двуполярного источника.
Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.
Характеристики реальных ОУ немного отличаются от идеальных.
Коэффициент усиления – важнейший количественный показатель работы любого усилителя. Коэффициент усиления напряжения Кu=Uвых/Uвых; коэффициент усиления тока Кi=Iвых /Iвх; коэффициент усиления мощности 
.
Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления каскадов 
.
Коэффициент усиления К выражается безразмерной величиной либо в децибелах (дБ), так как человеческое ухо различает разницу уровня звука на 1 дБ ‑ на величину, пропорциональную логарифму от соответствующего изменения звуковой энергии. 
.
Коэффициент усиления К является комплексной величиной, так как выходной сигнал отличается от входного по фазе.
В общем виде, например, для напряжения
где К – модуль 
, 
‑ разность фаз входного и выходного сигнала.
Основные параметры реальных ОУ:
а) коэффициент усиления дифференциального сигнала
;
б) коэффициент усиления синфазного сигнала 
;
в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах 
;
г) входное сопротивление Rвх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);
д) выходное сопротивление Rвых = 20 ¸2000 Ом;
е) амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – 
– зависимость коэффициента усиления от частоты 
(линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на рисунке 2.5,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, т.е. на минус 20 дБ.
Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);
ж) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты 
(см. рисунок 2.5,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус 
. ФЧХ запаздывает на 
, где n – число каскадов ОУ.
Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ;
и) 
‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;
к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного 
приведена на рисунке 2.6.
Обычно 
;
л) если при Uвх = 0 также и Uвых = 0, имеет место баланс ОУ.
В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется 
при Uвх = 0 (см. рисунок 2.7);
м) U вх смещ нуля или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Оно примерно равно 1...3 мВ;
н) разность входных токов 
‑ 5…50 нА.
2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель.
2.3.2 Двухкаскадный операционный усилитель
Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 2.8. Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT1 ¸ VT4. Основные транзисторы VT1 и VT2 – p-n-p-типа. Динамическая нагрузка (транзисторы VT3 и VT4 ‑ n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ1 в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения.
Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.
Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT5 и VT6 по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ2. Емкость СК »30pF ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD1 и VD2 для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.
В выходной каскад входят: комплементарная паратранзисторов VT7 (n-p-n-типа)и VT8 (p-n-p-типа), диоды VD1 и VD2, генератор стабильного тока ГСТ2,транзистор VT6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ2, VD1, VD2 и VT6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT7 и VT8. Причем. 
. Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.
При отсутствии сигнала на входе ОУ UВХ = 0 ток через нагрузку IН = 0. Через транзисторы VT7 и VT8 течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс UVD1 на транзисторе VT7 и минус UVD2 – на транзисторе VT8. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT6 за счет источников напряжения питания + Еп1 и ‑ Еп2 нааноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT7 и VT8 открыты поочередно. При подаче с коллектора VT6 положительного перепада напряжения транзистор VT8 запирается, а VT7 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп1, кэVT7, Rн, ‑ Еп1. При подаче с коллектора VT6 отрицательного перепада напряжения транзистор VT7 запирается, а VT8 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп2, Rн, кэVT8, ‑ Еп2.