Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он успешно применяется как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т. п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т. д.). На ранних этапах развития вычислительной техники ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций с сигналами. Отсюда и появилось его наименование — операционный (решающий) усилитель.

Основные параметры ОУ должны удовлетворять ряду требований, как в отношении электрических характеристик, так и его конструктивного выполнения.

Требования к электрическим характеристикам ОУ связаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент усиления по напряжению; большое входное и малое выходное сопротивления; линейность передаточной характеристики; высокую верхнюю граничную частоту пропускания.

В условном обозначении ОУ показаны лишь шесть основных зажимов. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля, балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.

Рис. 1. Условное обозначение операционного усилителя

Требования к конструктивному исполнению ОУ сводятся к следующим особенностям его конструкции: наличию двух автономных входов (1) и (2) с общей точкой, соединенной с массой усилителя; выполнению одного из входов (1) с неинвертирующим (совпадение по фазе), а другого (2) с инвертирующим (в противофазе) включением по отношению к выходному сигналу.

Напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом)

ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли напряжение

при изменении дифференциального сигнала и как можно меньше изменяли напряжение при одинаковых изменениях напряжений и . Последнее не всегда удается и тогда имеет вид:

Рис. 2.

Характеристика не проходит через начало координат, заранее ее точное положение предсказать невозможно. В этом случае предусматривают меры по компенсации напряжения смещения, в некоторых ОУ могут быть специальные выводы.

Основными показателями качества работы ОУ являются: коэффициент усиления по напряжению K_U, достигающий у лучших образцов значения до 10⁶; входное сопротивление R_вх (до 10⁹ Ом); верхняя граничная частота, достигающая у лучших образцов даже значения 50 МГц.

Благодаря высоким характеристикам и широкой доступности, обеспеченной серийным выпуском, ОУ нашли исключительно широкое применение в электронике и системах автоматики. На основе ОУ получены высококачественные линейные усилители, источники опорных напряжения и тока, генераторы импульсов, схемы сравнения (компараторы) и т. п.