2.7 Операционные усилители

В таблице классификации оперативных усилителей (ОУ) относится к усилителям постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход. В электронных схемах ОУ обозначается следующим образом (рисунок 2.37).

Название «операционный усилитель» связано с первоначальным их применением для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие). В настоящее время ОУ применяются в устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения. Идеальный ОУ имеет K_u, стремящийся к бесконечности (у реальных ОУ он обычно превышает 105), обладает большим входным (106 Ом) и малым выходным сопротивлением (доли Ом).

+

+

-

-

U_вых

E_к

E_к

U_{вх. и.}

U_{вх. н.}

Рисунок 2.37 – Условное изображение ОУ

Один вход ОУ (U_{вх. н}, «+») – называется не инвертирующим, а второй (U_{вх. и}, «−») – инвертирующим. При подаче сигнала на не инвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешний ООС.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, который используется в качестве выходного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ЭП), который 101 обеспечивает нагрузочную способность всей схемы. Т. к. K_u (ЭП) = 1, то необходимое значение K_u ОУ обеспечивается подключением дополнительных каскадов между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества используемых каскадов, ОУ подразделяются на двух- и трехкаскадные. В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в 2-х каскадных – с динамическими нагрузками.

Для иллюстрации рассмотрим принципиальную схему простейшего трехкаскадного ОУ (микросхема 140УД1) (рисунок 2.38).

+E_к

R₄

+

-

частотная коррекция

выход

вход

-E_к

VD₁

VT₉

VT₇

VT₆

VT₃

VT₂

VT₁

VT₄

VT₅

VT₈

R₁₂

R₁₁

R₁₀

R₉

R₈

R₃

R₇

R₆

R₅

R₂

R₁

Рисунок 2.38 – Принципиальная схема трехкаскадного ОУ

Питание схемы осуществляется от двух источников + E_к1 и – E_к2 с одинаковым напряжением, имеющим общую точку, модуль E_к1 равен модулю E_к2. Входной каскад выполнен на транзисторах VТ₁, VT₂ по дифференциальной схеме, который связан со вторым каскадом (транзисторы VТ₅, VТ₆). Резистор в цепи коллектора VТ₅ отсутствует, т. к. выходной сигнал 2-го каскада снимается только с коллектора VТ₆. R₅ = R_э стабилизирует суммарный ток I_э VТ₅ и VТ₆. Т. о. падение напряжения на R₅ от протекания тока I_э обоих транзисторов повышает потенциал их эмиттеров, что необходимо для непосредственной связи баз транзисторов с выходами предыдущего каскада.

Третий усилительный каскад выполнен на VТ₇, VТ₈, который связан с ЭП на VТ₉. Если 1 и 2 каскады были включены по дифференциальной схеме, то 3 каскад представляет собой входной делитель ЭП.

Управление транзистором VТ₇ производится по цепи базы выходным сигналом 2 каскада, а управление транзистором VТ₈ - по цепи эмиттера напряжением на R₁₂, которое создается при протекании через этот резистор I_э VТ₉. VТ₈ входит в контур «+» обратной связи, позволяющей обеспечить 102 высокий коэффициент усиления 3-го каскада. Совместное действие VТ₇, VТ₈ направлено либо на увеличение, либо на уменьшение (в зависимости от сигнала на входе VТ₆) входного напряжения эмиттерного повторителя, т. е. потенциала базы VТ₉ относительного шины – Е_к2. Повышение напряжения на базе VТ₉ обусловлено уменьшением сопротивления постоянному току VТ₇ и увеличением сопротивления VТ₈, и наоборот.