Тема 15.Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которого близки к характеристикам так называемого “идеального усилителя. ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=10⁴ ...10⁶), большое входное (R_вх=0.1...100 МОм) и малое выходное (R_вх=10...100 Ом) сопротивления.

В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...10³, но одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает R_вх.ус и уменьшается R_вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так как увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.

ОУ (рис 15.1.) содержит в качестве первого каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления для разности входных сигналов U₂ – U₁ и низкий коэффициент усиления для синфазных сигналов, т.е. одинаковых сигналов, поданных одновременно на оба входа. Это позволяет уменьшить чувствительность к синфазным сигналам (внешним помехам) и напряжение сдвига, определяемое неидентичностью плеч ОУ.

Рис.15.1. Внутренняя структура операционного усилителя.

За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают необходимое усиление по напряжению и по току.

Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока.

Основные параметры операционных усилителей

1. К – собственный коэффициент усиления ОУ ( без обратной связи).

2. U_сдв - Выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно U_сдв имеет значение 10 - 100 мВ.

3. I_см - Входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.

4. I_сдв - Входной ток сдвига (). Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. .

5. R_вх - Входное сопротивление. Как правило, R_вх имеет значение до 1-10 мегаом.

6. R_вых - Выходное сопротивление. Обычно R_вых не превосходит сотен Ом.

7. Косс - Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.

8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.

9. Потребляемая мощность. Мощность, рассеиваемая операционным усилителем.

10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс) .

11. U пит. - Напряжение питания.

12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.

ОУ имеет несколько вариантов схем включения, которые значительно

отличаются по своим характеристикам. Для анализа работы и расчета характеристик различных схем включения ОУ далее необходимо помнить, что, исходя из свойств ДУ:

1. Разность напряжений между входами ОУ очень мала и может быть принята равной нулю.

2. Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление, поэтому потребляет очень небольшой входной ток ( до 10 nA).

3.4.3. Основные схемы включения ОУ .

В инвертирующем усилителе (рис.15.2.), входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180º. Если U_вх, положительное то напряжение в точке А, а значит и U_д , также станет положительным, а U_вых уменьшится, что приведет к уменьшению на инвертирующем входе до величины U_д = U_вых / К ≈ 0.

Точку А часто называют виртуальной землей, потому, что ее потенциал почти равен потенциалу земли, так как U_д, как правило, весьма мало

Рис. 15.2. Инвертирующий усилитель на ОУ

.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления с обратной связью, учтем, что , т.к.R_вх усилителя весьма велико. Так как и, то.

Полагая U_д = 0 (так как К → ∞), получим . Коэффициент усиления с обратной связью рассматриваемой схемы равен

. (15.1)

Выходное напряжение инвертировано, о чем говорит и отрицательное значение К_ос.

Так как, благодаря обратной связи, в точке А сохраняется приблизительно нулевой потенциал, входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R₁.. Сопротивление R₁ должно быть выбрано так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, и, естественно, R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Неинвертирующий усилитель может быть также реализован на ОУ (рис.15.3) с высоким входным сопротивлением, коэффициент усиления которого по напряжению также может быть задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос.

Как и ранее, считаем, что , посколькуR_вх → ∞.

и .(15.2)

Напряжение на инвертирующем входе усилителя равно, поэтому

.