- 13 -

Лекции «Електроніка та мікропроцесорна техніка» (Rus), ч. 1 Лекция 5,5a – ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

5. Операционные усилители

………………………………………

5.1. Общие сведения

………………………………………

Рис. 5.1. Выводы операционного услителя

В идеальном ОУ усиливается только разность приложенных напряжений

U_D == U_P – U_N. Неинвертирующий вход обозначают символом P, на схеме ему соответствует знак «+». Инвертирующий вход помечается символом N в тексте и знаком

«–» на схеме (иногда вывод инвертирующего входа снабжается кружком). Операционный усилитель имеет два вывода для подключения питания, к одному из которых приложено положительное (относительно земли) напряжение питания, а к другому – отрицательное, чем обеспечивается равенство нулю входного и выходного потенциалов. У операционных усилителей иногда отсутствует вывод «земли», хотя к нему относят входные и выходные напряжения. Обычное рабочее напряжение питания у схем универсального применения составляет ±15 В, хотя все чаще применяется напряжение ±5 В, и действует тенденция дальнейшего снижения напряжения питания. Типичное расположение выводов операционных усилителей показано на рис. 5.2. Поскольку часто в одном корпусе микросхемы содержится несколько ОУ, выпускаются также спаренные или счетверенные приборы, позволяющие экономить место и средства.

Рис. 5.2. Обычная цоколевка операционных усилителей

В корпусах с двухрядным расположением выводов

1. Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 5.3). Они различаются

высоко- и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех

четырех типов является высокоомным.

Рис. 5.3. Схемные символы и передаточные функции

Четырех операционных усилителей

У стандартного операционного усилителя с обратной связью по напряжению

(Voltage Feedback Operational Amplifier) инвертирующий вход также является высокоомным и, следовательно, управляется напряжением. Его выход представляет

собой источник напряжения с малым внутренним сопротивлением и поэтому является низкоомным. Такое устройство называют операционным усилителем типа

VV. Здесь первый символ V (Voltage – напряжение) означает управление по напряжению на инвертирующем входе, а второй - символизирует напряжение в качестве

выходного сигнала. Ранее существовали только приборы данного типа, на них до

сих пор приходится наибольшая доля рынка и они остаются важнейшими среди

подобных изделий. Выходное напряжение

равняется усиленной разности входных напряжений, причем A_D является дифференциальным усилением. Чтобы охватить схему глубокой отрицательной обратной

связью, стараются обеспечить A_D = 10⁴…10⁶. На рис. 5.4а приведена передаточная

характеристика идеального операционного усилителя типа VV. Дифференциальное

усиление

соответствует наклону передаточной характеристики. Как видно, чтобы добиться

полного размаха сигнала на выходе, достаточно подать на вход напряжение порядка долей милливольта. Линейная рабочая область U_a,min < U_a < U_a,max считается областью управляемости по выходу. По достижении этих границ U_a перестает расти, и при дальнейшем увеличении U_D наступает ограничение амплитуды выходного напряжения усилителя. В литературе идеальному операционному усилителю обычно приписывают дифференциальное усиление A_D = ∞.

Рис. 5.4. Передаточные характеристики операционных усилителей:

а – ОУ VV или VC; б – ОУ VC или СС

Операционный усилитель крутизны (Operational Transconductance Amplifier)

имеет не только высокоомные входы, подобно стандартному ОУ, но и высокоомный выход. Данный усилитель представляет собой источник тока, управляемый разностью напряжений на входах U_D, поэтому на его схемном символе выход отмечен значком источника тока (см. рис. 5.3). Таким образом, речь идет об операционном усилителе, который управляется дифференциальным напряжением, а выход - действует как источник тока. Отсюда, для обозначения усилителей подобного типа, используется символ VC (C – Current, ток). Выходной ток

пропорционален разности входных напряжений. Дифференциальная крутизна

показывает, насколько сильно растет выходной ток в зависимости от входного

напряжения. Дифференциальная крутизна сходна с крутизной транзистора и определяется здесь также транзисторами, входящими в схему операционного усилителя. Название «усилитель крутизны» объясняется тем, что поведение устройства определяется передаточной крутизной. Типичная передаточная характеристика операционного усилителя типа VC на рис. 5.4б показывает, что небольшого разностного напряжения вполне достаточно, чтобы получить полный размах сигнала на выходе.

Оба операционных усилителя с токовым входом (см. рис. 5.3) имеют низкоомный инвертирующий вход, то есть управляются током. Поначалу это кажется недостатком, но на высоких частотах оборачивается существенным преимуществом.

Усилитель с обратной связью по току (Current Feedback Amplifier) – см. рис. 5.3 –

имеет управляемый током инвертирующий вход и источник напряжения на выходе,

а потому относится к операционным усилителям типа CV. Выходное напряжение

рассчитывается по дифференциальному усилению, как и в случае стандартного

усилителя, либо по входному току I_N и полному внутреннему сопротивлению Z, лежащему в мегомном диапазоне. Благодаря столь специфичному импедансу этот ОУ

называют также усилителем полного переходного сопротивления.

Усилитель тока имеет один вход с токовым управлением, подобно CV-усилителю, и одним выходом с токовым управлением, как у VC-усилителя, поэтому говорят об ОУ типа CC. Передаточная характеристика

определяется крутизной. Однако нередко для упрощения расчетов пользуются коэффициентом передачи по току

В зависимости от типа прибора значения коэффициента передачи лежат в интервале k_I = 1…10. Усилитель тока называют также Diamond-Transistor (марка компании Burr Brown) за то, что он во многих отношениях ведет себя как идеальный

транзистор.