Операционные усилители

Термин “операционный усилитель” относится к УПТ с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход (один вывод). Первоначально их применяли в основном для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения.

U_{вх н} – не инвертирующий вход (+)

U_{вх и} – инвертирующий вход (-)

Инвертирующий вход часто используют для введения в ОУ внешних ООС. Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель, обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы. К_v ЭП близок к 1, поэтому необходимое значение К_VОУ достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включённых между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества каскадов, используемых для получения требуемого значения К_VОУ, ОУ подразделяют на двух- и трёхкаскадные. В двухкаскадном ОУ один дополнительный каскад, в трёхкаскадном – два. В последнем входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в двухкаскадном – с динамическими.

Кроме этого ОУ могут содержать вспомогательные транзисторные каскады и элементы сдвига уровней напряжения в тракте усиления, создания источников стабильного тока, ООС по синфазным ошибкам усиления и т.д.

Принципиальная схема микросхемы 140УД1 (рис. 2.40, стр. 151 Забр).

ОУ характеризуется усилительными, входными и выходными, энергетическими, дрейфовыми, частотными и скоростными параметрами. Рассмотрим наиболее существенные из них. Важнейшие характеристики ОУ амплитудные (передаточные).

Это две кривые, относящиеся соответственно к инвертирующему и не инвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму насыщения или отсечки транзистора выходного каскада (ЭП). Значения максимальных выходных напряжений U⁺_{вых макс} и U^-_{вых макс} близки к напряжению Е_к источников питания.

Линейным участкам кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ. Это значение может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. Большие значения позволяют при охвате таких усилителей глубокой ООС получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи ООС.

Кривые, проходящие через нуль (это состояние баланса ОУ). Однако для реальных ОУ наблюдается разбаланс. При U_вх =0, U_вых>0 или U_вых <0. Тогда передаточные характеристики выглядят (входной сигнал подаётся на не инвертирующий вход):

Напряжение U_{см 0}, при котором U_вых=0 называется входным напряжением смещения нуля. Имеет место соотношение .

Основная причина разбаланса ОУ – разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада (например, транзисторов), температурный дрейф.

Основные параметры входных цепей ОУ: входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, максимальное входное дифференциальное напряжение.

Наличие входных токов смещения объясняется конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада, а их разность – существующим разбросом параметров транзисторов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих его входов включаются резисторы. При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжений на резисторах R₁ и R₂ будут неодинаковыми, что создаёт между входами дифференциальное напряжение и на выходе напряжение разбаланса. Поэтому схемы на ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Она осуществляется путём подачи на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введение резисторов в его входную цепь.

Для защиты от избытка напряжения между входами ОУ включают встречно параллельно два диода или стабилитрона.

Высокие качества параметров современных ОУ позволяют при расчёте схем на ОУ принимать , и .

Дата добавления: 2014-01-07