ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, в то время как свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Операционный усилитель обеспечивает усиление как медленно, так и быстро меняющихся сигналов, спектр частот которых может быть от нуля до нескольких мегагерц. Он имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивления, очень низкий входной ток — доли микроампер и даже наноампер (10^–9 А). 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.

Операционные усилители выполняют в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене они почти не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

2.4.1. Свойства операционных усилителей

Обозначение операционного усилителя (ОУ) на принципиальных электрических схемах в соответствии с ГОСТ приведено на рис. 2.13, а. Для пояснения принципа действия операционного усилителя и схем на его основе воспользуемся условным обозначением ОУ, применяемым ранее (рис. 2.13, б).

Рис. 2.13. Условное обозначение ОУ в соответствии с ГОСТ (а); обозначение ОУ на функциональных схемах (б); зависимость выходного напряжения от дифференциального входного сигнала (в)

Его входной каскад выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Вход, обозначенный знаком «плюс», называется неинвертирующим, а вход, обозначенный знаком «минус», — инвертирующим. Входным сигналом для операционного усилителя является разность между напряжениями на входах:

ΔU_вх = U_вх+ – U_вх– .

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется двуполярное питающее напряжение (на рис. 2.13 это +U_ип и –U_ип). Как правило, стандартные операционные усилители работают с напряжением питания ±15 В.

В действительности, разумеется, не существует идеальных операционных усилителей. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей.

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя определяется как

.

Он имеет конечную величину, которая составляет от 10⁴ до 10⁶, и называется также собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т.е. усиления при отсутствии обратной связи.

На рис. 2.13, в показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от входного сигнала. В диапазоне от –12 В до +12 В оно зависит от ΔU_вх почти линейно. Нелинейность наблюдается только при приближении к границам диапазона. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом ΔU_вх увеличения выходного напряжения не происходит. Границы области усиления отстоят приблизительно на 3 В от соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением питания ±15 В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет ±12 В.

Идеальный операционный усилитель при нулевом входном сигнале ΔU_вх = 0 должен иметь нулевое значение выходного напряжения. У реального усилителя это не так. Его характеристика показана пунктирной линией на рис. 2.13, в, и при нулевом входном сигнале на его выходе присутствует ненулевое выходное напряжение. Для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо на вход операционного усилителя подать некоторое напряжение, называемое напряжением смещения нуля U₀. Оно составляет обычно несколько милливольт.

Поскольку операционный усилитель выполняется на основе полупроводников, его характеристики зависят от температуры. Так, с уменьшением температуры резко снижается коэффициент усиления. Изменение температуры влияет на величину напряжения смещения нуля и входной ток усилителя, а это оказывает влияние на точность работы схем на основе операционных усилителей.

Влияние температуры оценивается такими характеристиками реального усилителя, как температурный дрейф напряжения смещения нуля и температурный дрейф входного тока. У лучших операционных усилителей температурный дрейф напряжения смещения нуля составляет единицы — доли микровольт на один градус, а дрейф входного тока составляет доли наноампер — единицы пикоампер (10^–12 А) на один градус.

Кроме температуры еще одним фактором, изменяющим параметры операционного усилителя, является время работы. С течением времени происходит дрейф напряжения смещения нуля и входного тока операционного усилителя. Однако эти параметры усилителя очень трудно нормировать.