Общие сведения об операционных усилителях

Основные параметры и характеристики ОУ.

Общие сведения об операционных усилителях.

Лекция 6. Операционные усилители

Литература: 1. Опадчий Ю.Ф.и др. Аналоговая и цифровая электроника

(Полный курс): Учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П.

Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2002.

2. Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника: Учеб. пособие.

4-е изд. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2004.

3. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. –

4-е изд. – СПб.: КОРОНА принт, 2004.

Операционный усилитель (ОУ) – это унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный, как правило, в виде интегральной микросхемы, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (K _U → ¥);

- входное сопротивление стремится к бесконечности (R _BX → ¥);

- выходное сопротивление стремится к нулю (R _BЫX → 0);

- если входное напряжение равно нулю (U _BX = 0), то выходное напряжение также равно нулю (U _BЫХ = 0);

- полоса пропускания стремится к бесконечности (f _B ® ¥).

Операционные усилители (иногда их называют решающими усилителями) после их появления широко применялись в аналоговых вычислительных машинах для реализации различных математических операций (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т. д.), откуда и произошло их название. В настоящее время ОУ применяются для усиления аналоговых сигналов, их линейной и нелинейной обработки (преобразования), сравнения двух сигналов (в пороговых устройствах) и т.д.

Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью. Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным устройствам. Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 100, то стандартный ОУ с коэффициентом усиления 250 000 можно рассматривать для этого случая как идеальный.

Условное графическое обозначение (УГО) ОУ приведено на рисунке 1. Треугольник в правом поле УГО операционного усилителя означает, что ОУ относится к классу усилителей.

Рисунок 1 – Условное графическое изображение ОУ

а) б)

Рисунок 2 – Упрощенные условные графические изображения ОУ

На рисунке 2, а приведено упрощенное УГО операционного усилителя, часто используемое при изображении схем в учебной и технической литературе. Как видно, на нем не показаны выводы, к которым подключают источники питания. Кроме этого в литературе, особенно зарубежной, встречаются УГО, не соответствующие отечественному стандарту. Они показаны на рисунке 2, б.

Рисунок 3

Как показано на рисунке 3, входные сигналы подают на входы 1 и 2 относительно общего провода. Нагрузка подключается к усилителю между выходом и общим проводом. В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ Е _П, - E _П). Средний вывод этого источника также подключают к общему проводу (общей шине для входных и выходного сигналов). В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3В…±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Один из входных выводов (вход 1 ) называется неинвертирующим, а другой (вход 2 ) — инвертирующим. Выходное напряжение U _BЫX связано с входными напряжениями U _BX1 и U _BX2 соотношением

U _BЫX = K _U0 (U _BX1- U _BX2),

где K _U0 - собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).

Как было отмечено ранее, K _U0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 10⁴... 10⁶.

Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид АЧХ усилителя, а также цепей устранения дрейфа нуля.

Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе многокаскадных усилителей постоянного тока. Структурная схема ОУ в общем случае имеет вид, приведенный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Структурная схема трехкаскадного ОУ

Как видно из рисунка 4, ОУ в общем случае может состоять из трех каскадов. Входной каскад ОУ обычно выполняют на основе дифференциального усилитель­ного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа нуля, получить достаточно большой коэффициент усиления напряжения, обеспе­чить получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные состав­ляющие сигнала, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т. п.

Согласующий каскад служит для согласования выхода дифференциального усилителя со входом оконечного (выходного) каскада ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряже­нию, а также согласование фаз сигналов. В качестве согласующего каскада чаще всего так же, как и в качестве входного, используется дифференциальный усилитель.

Выходной каскад, который, как правило, выполняется по двух­тактной схеме, в которой транзисторы включены по схеме с ОК, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощ­ности.

Дата добавления: 2014-01-07