Основные свойства операционных усилителей

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, выполненный в виде полупроводниковой интегральной схемы, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов.

По принципу действия операционный усилитель 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 операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи. Операционные усилители 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 сопротивлениями. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название – операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря отличным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях линейной схемотехники.

Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее, для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры. В таких случаях следует использовать справочники.

Здесь рассматриваются основные параметры операционных усилителей, и, прежде всего те, которые используются для описания реально выпускаемых элементов, приводятся основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных связей.

На рис.9.1 приведено условное графическое обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (показывается справа) и два входных (изображаются с левой стороны). Знак характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и на схеме обозначается знаком «-» или знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением – неинвертирующим и обозначается знаком «+», хотя обычно этот знак опускают.

На принципиальных схемах обычно не показывают выводы напряжения питания и общего провода (но, естественно, подразумевают). В современных ОУ, как правило, нет отдельного вывода для общего провода. Выводы частотной коррекции FC и коррекции нуля NC используются только в специальных типах ОУ. Цепь внешней коррекции позволяет требуемым образом изменить частотную характеристику ОУ, что важно при введении в него различных цепей обратной связи. Следует отметить, что цепи коррекции часто встраиваются непосредственно в усилитель. Обычно в схемах указываются только два входа и выход. Подключение ОУ к источникам питания и источникам входных сигналов, показано на рис. 9.2.

а) б)

Рис. 9.1. Условное графическое обозначение ОУ: а – без дополнительного поля; б – с дополнительными полями; NC – выводы балансировки; FC – выводы частотной коррекции; Е_П – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод

Рис.9.2. Подключение ОУ к внешним цепям

Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа. В области низких частот выходное напряжение U_ВЫХнаходится в той же фазе, что и разность входных напряжений, именуемая дифференциальным входным сигналом: U_ДИФ= U_НЕИНВ – U_ИНВ.

Операционные усилители предназначены для усиления дифференциального входного напряжения и для подавления синфазного входного сигнала – одинакового изменения сигналов U_НЕИНВи U_ИНВ.

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используют двуполярное питающее напряжение. Для этого предусмотрены два источника постоянного напряжения, которые, как показано на рис.9.2, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Как правило, стандартные ОУ в интегральном исполнении работают с напряжениями питания ±3…±18В.

В зарубежной литературе часто используют условные графические изображения, не соответствующие отечественному стандарту (рис.9.3).

Рис.9.3. Альтернативное условное графическое обозначение ОУ