Лекция 4. Операционные усилители

Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному усилителю».

На рис. 4.1 показаны внешние выводы операционного усилителя:

– +15, –15 – выводы для напряжений питания;

– FC – частотная коррекция. Эти выводы используются для предотвращения генерации операционного усилителя, если он не имеет внутренней коррекции;

– NC – установка нуля (null correction);

– Выход – вывод, с которого снимается усиленное напряжение.

Рис. 4.1. Цоколевка операционного усилителя

Свойства идеального усилителя:

1. Бесконечный коэффициент усиления по напряжению.

2. Бесконечное полное входное сопротивление.

3. Нулевое полное выходное сопротивление.

4. Равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах (U_{вх 1} = U_{вх 2}).

5. Бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), превышающий 10000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности. Например, операционный усилитель К140УД9 имеет параметры:

Uпит, В	Iпотр, мА	U вх max, В	U вых max, В	Rн min, кОм	Rвх, кОм	Iвх, мкА;
					0,3	0,35

Для операционного усилителя вводят понятия дифференциального и синфазного сигналов. Дифференциальным называется разнополярный сигнал, а синфазным сигналом является сигнал одинаковой величины и полярности, подаваемые между входами ОУ. Идеальный ОУ не усиливает синфазный сигнал (k_синф → 0). Реакция на синфазный сигнал связана с неидеальностью ОУ, но существенно проявляется при больших синфазных напряжениях.

Допустимое значение синфазного сигнала указывается в технических условиях (ТУ). Для современных качественных усилителей нормируется коэффициент подавления синфазного сигнала.

Рис. 4.2. АЧХ операционного усилителя	Рис. 4.3. Передаточная характеристика для дифференциального сигнала.

Неидеальность ОУ характеризуется также наличием входных токов и их разностью ΔI_вх, обуславливая ошибку при передаче маломощных сигналов

Интегральные ОУ давно уже стали основными элементами, «кирпичиками» аналоговых электронных устройств. Начиная от первого интегрального ОУ μА702 (1963 г.), в мире разработаны и производятся многие сотни моделей интегральных ОУ, параметры которых порой значительно различаются.

Параметры, характеризующие качество ОУ, можно разделить на четыре группы: точностные, динамические, эксплуатационные и параметры, характеризующие усиление сигналов переменного тока.

К точностным параметрам относятся:

 дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_u,

 коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС,

 напряжение смещения нуля U_CM,

 входной ток I_вх,

 разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_р,

 коэффициент подавления нестабильности питания К_{п п},

 коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров, временные дрейфы, а также шумовые параметры.

К точностным параметрам иногда относят входное сопротивление ОУ. дифференциальное и синфазное, а также выходное сопротивление. Отличие точностных параметров от идеальных проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного. Для удобства сопоставления погрешность обычно приводят к входу ОУ.

Динамические параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на две группы: параметры для малого и большого сигналов.

К первой группе динамических параметров относятся: полоса пропускания f_n, частота единичного усиления f₁ (или произведение усиления на полосу пропускания ) и время установления t_y. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (dU_вых < 0,2 В).

Полосой пропускания называется диапазон частот, на границах которого коэффициент усиления снижается в раз по сравнению с его значением в середине полосы (К_о):

Ко/ =0.707*Ко

Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения