Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления, позволяющий использовать обратные связи различного типа без нарушения его работоспособности. Исторически термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике. С ним связывалась какая-либо математическая операция: суммирование, вычитание, умножение, дифференцирование, интегрирование и т. д., которую усилитель мог выполнять за счет введения обратных связей соответствующего вида. В настоящее время смысл этого термина существенно расширился. С помощью ОУ можно реализовать большинство аналоговых устройств: усилители, фильтры, детекторы, генераторы, активные резонаторы, гираторы, компараторы и т. д. Поэтому ОУ являются самой распространенной АИС. Интегральные технологии позволяют выполнить ОУ в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный электронный компонент, не вникая глубоко в его структуру.
На рис. 2.21 приведено условное обозначение ОУ в электрических схемах. Входы операционного усилителя имеют разное обозначение.
Рис. 2.21
Инвертирующий вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе относительно выходного на 180о (инвертировано), обозначается знаком «-» или кружком. Неинвертирующий вход обозначается знаком «+».
Идеальный операционный усилитель должен иметь:
1) большой коэффициент усиления по напряжению для дифференциальных сигналов;
2) большое входное и малое выходное сопротивления;
3) высокую стабильность и низкий уровень искажений;
4) высокое быстродействие и не вносить дополнительных фазовых сдвигов;
5) большой коэффициент подавления синфазных сигналов.
Большинство современных ОУ строятся по двухкаскадной схеме (рис. 2.22), т. е. содержат два каскада усиливающих напряжение (первый обязательно дифференциальный). Кроме того, в состав ОУ входит выходной каскад (повторитель напряжения) и вспомогательные элементы.
Рис. 2.22
Рассмотрим принцип построения ОУ на примере. На рис. 2.22 изображена упрощенная принципиальная схема двухкаскадного ОУ. Каждый из приведенных на рис. 2.22 каскадов был рассмотрен ранее.
Первый (дифференциальный) каскад выполнен на р–n–р-транзисторах, питающихся от транзисторного генератора тока I01. Высокое дифференциальное сопротивление генератора тока позволяет существенно ослабить передачу синфазных сигналов и улучшить стабильность ОУ. В каскаде предусмотрена балансировка по постоянному току с помощью внешнего переменного резистора, позволяющего в небольших пределах изменять сопротивления в коллекторных цепях транзисторов и, следовательно, изменять выходное напряжение ОУ. В более сложных схемах используются составные транзисторы вместо VT1 и VТ2 и нагрузка в виде токового зеркала.
Второй усилительный каскад выполнен на n–р–n-транзисторе VТЗ с динамической нагрузкой в виде генератора тока I02. Диоды смещения, включенные в прямом направлении, на работу второго каскада не влияют. Чередование типов проводимостей транзисторов в 1-м и 2-м каскадах позволяет отказаться от отдельных схем сдвига уровня.
Выходной каскад, обеспечивающий малое выходное сопротивление ОУ, представляет собой двухтактный эмиттерный повторитель на транзисторах VТ4 и VТ5. Большое входное сопротивление повторителя позволяет использовать в предыдущем каскаде динамическую нагрузку. В большинстве реальных схем в выходной каскад включаются также элементы, защищающие ОУ от перегрузки по току.
Рис. 2.23
К основным параметрам ОУ относятся:
Ко – коэффициент усиления по напряжению без обратной связи (для дифференциального сигнала).
Кос сф – коэффициент ослабления синфазной составляющей, показывающий во сколько раз (обычно в логарифмическом масштабе) дифференциальный сигнал усиливается сильнее, чем синфазный.
Rвx, Rвх сф – входное сопротивление для дифференциального и синфазного сигналов.
Rвых – выходное сопротивление.
Uсм – напряжение смещения.
Напряжение смещения – это то напряжение, которое нужно подать между входами ОУ (один из которых присоединен к общей точке), чтобы выходное напряжение было равно нулю. В реальных ОУ Uсм ≠ 0 из-за технологического разброса параметров. Для компенсации Uсм может использоваться цепь коррекции по постоянному току.
Iвх1 и Iвх2 – входные токи (смещения). Это токи, протекающие во входных выводах, при присоединении последних к общей точке. Эти токи протекают под действием напряжений источников питания. Поскольку входные токи примерно одинаковы Iвх1 ≈ Iвх2, обычно используют средний входной ток – Iвх ср и разность входных токов DIвх (входной ток сдвига). В правильно сконструированных схемах на основе ОУ сопротивления в цепях обоих входах выбираются одинаковыми и влияние среднего входного тока тем самым устраняется (падения напряжения от протекания среднего входного тока являются синфазным сигналом).
Быстродействие ОУ в режиме малого сигнала определяется частотной характеристикой коэффициента усиления по напряжению K(jw). Для усилителей со скорректированной характеристикой указывают f0 – частоту, на которой начинается спад частотной характеристики и f1 частоту (полосу) единичного усиления (рис. 2.24).
В режиме большого сигнала используется параметр Vu – скорость нарастания выходного напряжения, которая определяется скоростью изменения напряжения на конденсаторе интегратора под действием максимального выходного тока дифференциального каскада (максимальный выходной ток ДК не превышает тока питания Iп).
Кроме того, в справочных данных ОУ приводятся значения максимальных величин входного ±Uвх m и выходного ±Uвых m напряжений, напряжения источников питания Еп1 и Еп2, потребляемый ток Iп и другие параметры.
Типичными значениями параметров современных универсальных ОУ можно считать:
К0 = 105…106; Kос сф = 80…100 дБ;
Rвx > 105 Ом (для входных каскадов на БТ) и > 108 (для ПТ);
Iвх ср = 5…100 нА (БТ) или 5…100 ПА (ПТ);
Uсм = 1…3 мВ; eсм = 2…3 мкВ/1 оС;
f0 = 10…20 Гц; f1 = 0,5…5 МГц;
Vи = 0,5…5 В/мкс.
В специализированных ОУ (прецизионных, быстродействующих и т. д.) отдельные параметры могут быть на порядок лучше.
