Основные параметры и характеристки

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход (два входных вывода) и один выход. Он предназначен для выполнения вычислительных операций в аналоговом виде путем охвата отрицательной обратной связью, причем влияние его параметров на результат выполнения операции пренебрежимо мало. Входные цепи операционного усилителя строят по схеме дифференциального (параллельно-балансного) каскада, и обладают всеми характеристиками последнего. Название «операционный» носит исторический характер, так как первоначальное применение таких усилителей связано с выполнением различных математических операций: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и др.

Условное обозначение и схема включения ОУ показаны на рис. 5.1. Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, поэтому питание усилителя осуществляют от двух источников питания Е_п1 и Е_п2. Один из входов усилителя (U_вх1) называют прямым (неинвертирующим), а второй (U_вх2) – инвертирующим. Увеличение (уменьшение) напряжения на прямом входе приводит к увеличению (уменьшению) напряжения на выходе усилителя. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по отношению к входному сигналу.

Большинство ОУ, выполняемых в интегральном исполнении, имеют три каскада усиления. Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада, в котором максимально компенсируется дрейф нуля. В качестве второго каскада часто используется дифференциальный каскад с несимметричным выходом. Третий (выходной) каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ. В современных ОУ применяются достаточно сложные схемы дифференциальных каскадов. Дополнительные элементы обеспечивают повышение входного сопротивления, стабилизацию режима покоя, повышение коэффициента усиления и т.д.

Идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления K_U = U_вых/U_вх ® ¥, большое входное сопротивление R_вх ® ¥ и малое выходное сопротивление R_вых ® 0. Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Система параметров, приводимая в справочниках, позволяет оценить эти свойства и определить режимы, в которых может использоваться ОУ.

Приведем некоторые основные параметры ОУ:

- коэффициент усиления K_U = U_вых/U_вх = (10³ ¸ 5*10⁵), где U_вх = U_вх1 - U_вх2. Наибольшее распространение получили ОУ, имеющие K_U = 2*10⁵;

- входное сопротивление R_вх = (1 ¸ 100) МОм;

- выходное сопротивление R_вых = (30 ¸ 300) Ом;

- сопротивление нагрузки R_н = (1 ¸ 10) кОм;

- напряжение питания Е_п = ± (3 ¸ 15) В;

- напряжение смещения U_см = (1 ¸ 100) мВ;

- ток, потребляемый от источника питания I_пот = (2 ¸ 20) мА.

На рис. 5.2, а приведена амплитудная характеристика ОУ.

Максимальные значения выходного напряжения ОУ близки к напряжению источников питания (меньше Е_п на (1,5 – 2,5) В в зависимости от типа ОУ).

Линейные участки характеристик проходят через начало координат. Состояние, когда U_вых = 0 при U_вх = 0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U_вх = 0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля (U_вых = +∆U_вых или U_вых = - ∆U_вых). На рис. 5.2, б показан возможный вид амплитудных характеристик 1 и 2 реальных ОУ при входном сигнале, поступающем на прямой вход. Напряжение U_см, при котором U_вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяет значение напряжения, которое надо подать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U_см и ∆U_вых связаны соотношением ∆U_вых = K_U U_см.

Основной причиной разбаланса ОУ является существующий разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и, как следствие, температурный дрейф выходного напряжения. Входное напряжение смещения обусловлено различием входных токов смещения, наличие которых связано с конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих его входов включаются резисторы. При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и вызывает на выходе появление некоторого напряжения (разбаланса). Ввиду наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы на ОУ дополняют элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется путем подачи на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

По амплитудной характеристике ОУ рис. 5.2, а можно определить максимальное входное напряжение U_вх.max, при котором еще соблюдается пропорциональность между входным и выходным напряжениями ОУ (линейность характеристики). Зная максимальное выходное напряжение U_вых.m » 10 В, определим U_вх.max, положив коэффициент усиления K_U = 2*10⁵

U_вх.max = U_вых.m/K_U = 10 В/(2*10⁵) = 5*10^-5 В = 0,05 мВ.

Такое напряжение, по сравнению с напряжениями на входе схемы, построенной на основе ОУ, измеряемых единицами вольт, можно считать нулевым. Учитывая большую величину входного сопротивления ОУ, приближающегося к бесконечности, можно считать входной ток ОУ, равным нулю. Таким образом, можно ввести два, достаточно корректных допущения, существенно упрощающих анализ схем, построенных на основе ОУ:

1) K_{U ОУ} ® ¥ Þ U_вх.ОУ = 0; (5.1)

2) R_{вх ОУ} ® ¥ Þ I_вх.ОУ = 0. (5.2)