Тема 8. Операционный усилитель

Операционный усилитель, как и любой другой усилитель, предназначен для усиления мощности входного сигнала. Название «операционный» он получил от аналогов на дискретных компонентах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ.

В настоящее время операционные усилители, выполняют в виде интегральных микросхем.

ЗАПОМНИТЕ:Идеальным операционным усилителем будем называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и одним выходом (рис. а)), имеющий бесконечно большой коэффициент усиления напряжения (на схеме обозначено «►∞»), бесконечно большое входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление, т. е. К_U. = ∞, Rвх = ∞, R_ВЫХ = 0.

Интегральные операционные усилители являются универсальными, выполняющими не только математические операции, но и генерирующими, усиливающими и преобразующими сигналы.

Результирующие характеристики устройства определяются только параметрами компонентов цепи внешней обратной связи В операционном усилителе в качестве входного используется дифференциальный усилительный каскад, применение которого повышает стабильность выходного потенциала усилителя а также расширяет его возможности благодаря наличию двух входов.

В зависимости от того, находится ли входной сигнал в противофазе или в фазе с выходным, различают инвертирующий (обозначен знаком инверсии «О» на рис.а) и неинвертирующий (Вх2) входы.

Для питания операционного усилителя обычно используют два разнополярных источника и Е₁— Е₂, позволяющие получит выходной потенциал, равный в состоянии покоя нулю.

Рис1:а,б,в,г(слева направо)
-коэф. усиления в усилителя с отрицательной обратной связью
Базовый ОУ	Неинвертирующий	Инвертирующий	Суммирующий

В операционном усилителе внешние цепи обратной связи могут быть подключены к различным точкам микросхемы, в результате этого можно собирать самые разнообразные устройства на базе одного и того же усилителя. Так как операционные усилители выполняют на базе дифференциальных усилительных каскадов, то они характеризуются теми же параметрами, что и дифференциальные усилители.

Одним из основных параметров операционного усилителя является дифференциальный коэффициент усиления напряжения К_U. Как правило, он очень высок и достигает нескольких миллионов. Операционные усилители обладают весьма высоким входным сопротивлением (нескольких сотен килоом) и низким выходным сопротивлением (R_ВЫХ составляет от десятков до сотен Ом).

Для построения линейных усилителей применяют операционные усилители с отрицательной обратной связью. В зависимости от того, на какой из входов подается напряжение входного сигнала, различают неинвертирующий и инвертирующий усилители.

В неинвертирующем усилителе (рис б) фазы сигналов на входе и выходе одинаковы. Входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя через резистивный делитель R ₁ — R ₂ на инвертирующий вход подается напряжение отрицательной обратной связи отрицательной обратной связи.

Обычно выполняется условие R₂ >> R_ВЫХ и R₁≤ R_ВХ.

Коэффициент усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью

,

где γ = R₁/(R₁ + R₂), К_U, К_UБС — коэффициенты усиления усилителя с обратной связью и без нее.

Таким образом, усиление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, зависит только от соотношения сопротивлений внешних резисторов и не зависит от коэф-фициента усиления самого операционного усилителя. Поэтому коэффициент усиления такого усилителя очень стабилен Выбирая соответствующим образом значения сопротивлений R₁ и R₂, можно обеспечить необходимый коэффициент усиления.

При построении инвертирующего усилителя (рис. в) входной сигнал и сигнал обратной связи подаются одновременно на инвертирующий вход, а другой вход обычно заземлен. Если пренебречь входным током операционного усилителя, то входной ток i₁ и ток обратной связи i₂ в указанном усилителе должны быть равны, т. е. i₁ = i₂. Так как коэффициент усиления интегрального операционного усилителя очень велик, то дифференциальный сигнал на его входе u_вх.д очень мал. Действительно при К_UБС →∞ u_вх.д = u_вых / К_UБС → 0.

Поэтому можем считать, что u_вх.д = R₁ i₁, u_вых = — R₂ i₂

Знак минус показывает, что фаза сигнала на выходе противоположна фазе входного сигнала, т. усилитель является инвертирующим. Учитывая условие равенства токов, находим К_U = u_вых / u_вх = — R₂/ R₁

Полученные выводы позволяют построить схему усилителя, осуществляющего суммирование входных напряжений. Для этого несколько входных сигналов (например, три) через одинаковые резисторы R₁одновременно подаются на инвертирующий вход усилителя, как показано на рис. г.

Полагая, что входной ток операционного усилителя близок нулю, составим уравнение токов для узла

Выразим отдельные слагаемые входных токов через значения входных напряжений , , Учитывая выражение для тока обратной связи составим уравнение для напряжений:

Отсюда можно найти выходное напряжение

Таким образом, значение выходного напряжения пропорционально сумме входных напряжений.

Операционный усилитель, включенный цепь с тремя входами, выполняет алгебраическую операцию сложения напряжения и поэтому называется сумматором.

Ранее с помощью операционных усилителей осуществлялись математические операции над аналоговыми величинами .Упрощенные схемы устройств, реализующих эти функции приведены ниже

Рис2:а,б,в,г(слева направо)
Логарифмический	Интегрирующий	Дифференцирующий	Суммирующий

Схемотохника ОУ

ОУ – усилитель постоянного тока, имеющий не менее двух входов, один из которых инвертирует поступающий входной сигнал .В этом случае говорят о наличие у ОУ дифференциального входа благодаря которому ОУ усиливает разность входных сигналов.

По способу компенсации дрейфа нуля различают ОУ с параметрической компенсацией дрейфа, с преобразованием сигнала, с автоматической коррекцией.(Горошков с172).

В усилителях с непосредственными связями компенсация дрейфа нуля осуществляется за счет построения входных каскадов по симметричной, балластной или дифференциальной схеме. В усилителях с преобразованием сигнала для усиления постоянной составляющей используется усилитель с импульсной стабилизацией типа «модуляция – усиление - демодуляция».

Наиболее распространенным типом ОУ являются схемы без преобразования сигнала . Как правило это трех каскадные схемы: дифференциального усилителя, схемы смещения уровня напряжения, выходного усилителя мощности.

Рис №3.Операционный усилитель, вариант схемного решения.
Сх 1.электрическая схема ДУ каскада	СХ 2. — каскад со смешением постоянного уровня напряжения	Сх3. двухтактный усилитель мощности

Сх1. Простой дифференциальный каскад построен на трех транзисторах (рис. 1). Транзистор VT3 работает в режиме генератора тока. Коллекторный ток этого транзистора задается стабильным напряжением на делителе R₁, R₂ и сопротивлением R_Э,. При равенстве U_1вх = U_2вх ток транзистора VT2—I₃раздваивается и протекает равными частями через транзисторы VT1 и VT2. В коллекторах этих транзисторов устанавливается напряжение U₁= U₂ = E₁- R_1вх*I₃/2 = E₁ – R_2вх*I₃/2. Напряжения U_1вх и U_2вхделают равны Е₁/2. В зависимости от соотношения между U_1вх и U_2вх выходные напряжения меняются, как показано на рис. 5..

Сх 2. Схема смешения уровня постоянного напряжения, которое устанавливается в коллекторах транзисторов дифференциального каскада, показана на рис. 2. В базе транзистора VT2 устанавливается напряжение Е₂/2. Через этот транзистор протекает ток I_э == E₂/2R₄. В эмиттере транзистора VT1 от предыдущего каскада подается напряжение U_K = Е|/2 (положительной полярности). Коллекторный ток транзистора VT2 - I_к = I_э создает падение напряжения на резисторе R₃I_K =E₂/2 . В результате напряжение положительной полярности эмиттера VT1 полностью падает на резисторе R₃. Напряжение U_C будет равняться нулю.

Сх 3. Выходной каскад ОУ построен на сдвоенном эмиттерном повторителе.. Когда напряжение U_C делается положительным, otkывается транзистор VT1 и обеспечивает выходной ток. Для отрицательной полярности U_C. открывается транзистор VT2 и обеспечивает выходной ток (рис.3).

Рис №4. УГО ОУ и характеристики отражающие его основные свойства.
Сх 4. Схема ОУ	Сх 5. переключательная (передаточная) характеристика	Сх 6. АЧХ ОУ (или частотная характеристика)
1 — инвертирующий вход; 2 — неинвертируюший вход; 3 — подключение «положительного» источника питания; 4 — подключение «отрицательного» источника питания; 5 — выходной сигнал; 6, 7 — подключение цепей.

Основные параметры ОУ.

1.. Входное сопротивление — дифференциальное сопротивление переменному току

2. Средний входной ток при отсутствии сигнала не превышает сотен наноампер.

3.Входной ток сдвига — разность между вх. токами. Он в несколько раз меньше среднего входного тока.

4.Напряжение смещения, которое прикладывается к одному из входов, чтобы получить U_вых = 0. Это напряжение приблизительно равно 1 мВ.

5. Температурный дрейф напряжения смещения = 1...5мкВ/^оС.

6.Выходное сопротивление равняется 1... 5 кОм.

7.Коэффициент усиления равен 1*10²... 1*10⁵.

8.Полоса пропускания — полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем на 0,7 от максимального значения.

9.Скорость нарастания выходного напряжения

10.Время установления выходного напряжения определяется между уровнями 0,1 и 0,9 и составляет единицы микросекунд.

11.Максимальный выходной ток более 5 мА.

Для ОУ принципиальное значение имеют три параметра: ρ, R_вх ,

Любой из этих параметров может быть улучшен, но за счет ухудшения других. По этим параметрам ОУ делятся на: прецизионные — предназначенные для применения в контрольно-измерительной аппаратуре; быстродействующие — для схем, где требуются широкая полоса пропускания, высокая скорость нарастания выходного напряжения и малое время установления; универсальные (средней точности); микромощные и программируемые, где рабочий ток усилителя задается внешним резистором; усилители с высоким входным сопротивлением; малошумящие; многоканальные (2, 3, 4); мощные.

Прецизионные, быстродействующие, микромощные, малошумящие, широкополосные ОУ относятся к классу специализированных, поскольку один или несколько параметров у них имеют значение близкое к предельному.

Параметры ОУ подразделяются на статические и динамические. К статическим параметрам относятся входные и выходные сопротивления, коэффициент усиления, шумовые значения. К динамическим относятся скоростные, частотные и временные параметры.

К точностным параметрам ОУ относятся паразитные напряжения и токи в режиме покоя, которые оказывают влияние на выходной сигнал (напряжение смещения нуля, средний входной ток, разность входных токов).

Примечание. Некоторые серии микросхем, схемы которых приведены ниже, уже не ыпускаются.

Рис №5. Микросхема ОУ К140УД1 - широкополосный трехкаскадный усилитель постоянного тока

Первый каскад усилителя выполнен по параллельной балансной схеме на транзисторах VT1 и VT2 со стабилизатором тока на транзисторе VT3 и цепочкой температурной компенсации на транзисторе VT6. Второй каскад усилителя выполнен по несимметричной балансной схеме на транзисторах VT4 и VT5 Выходной каскад является сложным эмиттерным повторителем на транзисторах VT7, VT9 со стабилизатором тока на транзисторе VT8 .К выводу 5 подключается внешняя нагрузка и цепи обратной связи, а к выводам 1 и 7—источник питания. Выводы 1—3 и12 предназначены для подключения корректирующих цепей