Операционные усилители

Интегральный операционный усилитель – это высококачественный прецизионный усилитель способный выполнять множество функций. На основе одного и того же ОУ можно формировать большое число линейных и нелинейных функциональных устройств. Это достигается коммутацией цепей обратной связи (ОС).

С целью повышения качества ОУ они должны удовлетворять следующим требованиям:

1) Иметь большой набор различных ОС.

2) Иметь высокий и стабильный коэффициент усиления (от 1000 до 100000).

3) Иметь высокую стабильность характеристик и параметров.

4) Иметь большое входное сопротивление (десятки МОм) и малое выходное (единицы Ом).

5) Иметь широкую полосу пропускания (от 10 до 100 МГц).

Основой всех ОУ является дифференциальный усилитель (ДУ).

Принципиальная схема дифференциального усилителя имеет вид:

Схема имеет два симметричных плеча R1,VT1 и R2,VT2, а в общей цепи включен источник постоянного тока, обеспечивающий постоянный ток эмиттеров обоих транзисторов.

Если предположить, что входное напряжение Uвх1 равно входному напряжению Uвх2 и равно 0, то следовательно ток коллектора VT1 будет равен току коллектора VT2, соответственно выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 будут равны. Если увеличить Uвх1 и Uвх2 на одну и ту же величину, то на одну и ту же величину возрастут токи обоих транзисторов, а следовательно пропорционально увеличатся Uвых1 и Uвых2 и по-прежнему Uвых1-Uвых2=0. Тоже самое произойдет и при одинаковом уменьшении Uвх1 и Uвх2. При этом сигналы Uвх1 и Uвх2 равные по величине и по фазе называются синфазными.

Рассмотрим случай, когда входные сигналы отличаются друг от друга. При этом:

Uвх1 = Uвх1₀ + ∆Uвх1; Uвх2 = Uвх2₀ - ∆Uвх2, следовательно,

Iк1 = Iк1₀ + ∆Iк1; Iк2 = Iк2₀ - ∆Iк2.

Uвых1 = Uвых1₀ + ∆Uвых1; Uвых2 = Uвых2₀ - ∆Uвых2,

и как результат: Uвых2 - Uвых1 = 2∆Uвых.

Из последнего выражения видно, что присутствие на входе ДУ разнополярных сигналов ведет к увеличению разности напряжений на выходе (Uвых).

Входные сигналы, отличающиеся друг от друга на одну и ту же величину, называются дифференциальными или парафазными. Если на один вход ДУ подать нулевой потенциал, а на другой вход – усиливаемый сигнал, то ДУ будет работать как обычный усилитель напряжения.

Таким образом, синфазность входных сигналов позволяет подавлять синфазные помехи, то есть сигналы которые в одинаковой мере увеличиваются или уменьшаются по амплитуде. Это значит, что изменение входных напряжений обусловленных изменениями температуры, колебаниями питающих напряжений и старением элементов, на выходе ДУ дают нулевые приращения. Следовательно дифференциальный усилитель является идеальным усилителем постоянного тока, причем подавление синфазных сигналов тем больше, чем симметричнее выполнены плечи. Идеальным с этой точки зрения является ОУ в интегральном исполнении, так как резисторы R1 и R2, транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковую геометрию, расположены близко друг к другу, сформированы на одной подложке, изготовлены в одном и том же технологическом цикле, подвергаются одним и тем же температурным изменениям и имеют одинаковую интенсивность старения.

Структурная схема операционного усилителя и его условное обозначение приведены на рисунке.

Вход 1, обозначенный знаком плюс, называют неинвентирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком минус, называют инвентирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность.

Рассмотрим принципиальную схему подключения ОУ, приведённую на рисунке.

Питание осуществляется от двух последовательно включённых источников, напряжения которых одинаковы, но знаки относительно заземлённой точки разные. Этим обеспечивается нулевой сигнал на выходе в отсутствие входного сигнала и возможность получить выходной сигнал или положительной, или отрицательной полярности. Сигнал можно подавать от симметричного источника сигнала, соединённого с общим проводом, на вход 1 – вход 2 либо от двух отдельных источников, один из которых подключают к инвертирующему входу и общему проводу, другой – к неинвертирующему и общему проводу. Часто сигнал подают на неинвертирующий вход, а через инвертирующий вход ОУ охватывают глубокой обратной связью (ОС). В этом случае можно получать устройства с различными свойствами, которые будут определяться параметрами цепи ОС. С помощью такого ОУ можно осуществлять математические операции (умножение, интегрирование, дифференцирование, сравнение и др. – отсюда произошло название этих усилителей – операционные).

Многообразие функций, которые можно выполнять ОУ, сделало его основным универсальным устройством аналоговых (линейных) интегральных микросхем.

Простым примером интегральных дифференциальных усилителей может служить микросхема К122УД1, представленная на рисунке.

Рассмотрим примеры построения электронных схем на базе ОУ.

-

- Усилители высокой частоты (УВЧ):

- Компараторы на основе ОУ:

- Активный полосовой фильтр:

-

-