Операционные усилители (ОУ)

Название «Операционный усилитель» связано с известными математическими операциями (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование, сравнение и т.д.), которые в начале развития вычислительной техники осуществлялось с помощью ОУ. Такие усилители называются еще и решающими (устаревшее название).

Первые ОУ начали применяться в электронике более полувека назад.

Однако, свое быстрое развитие они получили благодаря достижениям микроэлектронных технологий, что позволило получить новый класс аналоговых интегральных схем (АИС).

Фактически ОУ являются высококачественными усилителями постоянного тока (УПТ).

Современные интегральные технологии позволяют выполнить ОУ с заданными техническими характеристиками в одном корпусе (иногда в одном корпусе до нескольких штук, например, до 4-х).

По конструктивному выполнению ОУ являются законченными высокостабильными широкополосными (от fн=0) высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.

В основном, независимо от сложности схемы ОУ, он состоит из трех каскадов.

 

Структурная схема ОУ.

 

Входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя и имеет все его достоинства как УПТ.

Согласующий каскад обеспечивает согласование по сопротивлению входного и выходного каскадов, а также высокий коэффициент усиления.

Выходной каскад служит для согласования большого выходного сопротивления согласующего каскада с низкоомной нагрузкой, т.е. позволяет получить малое выходное сопротивление и заданную мощность. Обычно этот каскад выполняется по двухтактной схеме в режиме классов АВ или В (иногда применяется однотактная схема).

Упрощенное условное графическое обозначение (УГО) ОУ:

 

 

Знак характеризует усиление;

- вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180º относительно выходного напряжения, называется инвертирующим;

Вх2 – вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, называется неинвертирующим.

Вх1 и Вх2 – показываются слева,

Вых – показывается справа.

Вывод, общий для обоих входов, часто не показывается.

Для повышения информативности допускается введение другого УГО:

В зарубежной литературе встречаются УГО ОУ в следующем виде:

 

 

Основные параметры ОУ.

Параметры и характеристики ОУ можно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К основным входным параметрам относят:

- напряжение смещения нуля;

- входные токи;

- разность входных токов;

- входные сопротивления;

- коэффициент ослабления синфазных входных напряжений;

- допустимые значения синфазных входных напряжений и др.

Напряжение смещения нуля Uсм – это потенциал, который равен отношению напряжений на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, к коэффициенту усиления ОУ (или это значение постоянного входного напряжения, при котором Uвых=0).

Входные токи – это токи через инвертирующий и неинвертирующий входы при подаче на них напряжений. Необходимо учитывать при подключении источников сигналов с разными внутренними сопротивлениями.

Разность входных токов может иметь любой знак.

Входное сопротивлени е – может быть дифференциальным или синфазным.

Коэффициент ослабления (подавления) синфазных входных напряжений – это отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе ОУ тот же сигнал, что и в случае синфазного сигнала.

(Кос.сф=80-100 дБ)

Допустимое значение синфазных входных напряжений – максимальное напряжение на обоих входах ОУ без нарушения его работоспособности.

К группе выходных параметров относят:

- выходное сопротивление;

- выходное напряжение;

- ток выхода.

К группе характеристик передачи можно отнести:

- коэффициент усиления по напряжению КU;

- частоту единичного усиления;

- скорость нарастания выходного напряжения и др. (например, АЧХ)

КU – достигает до , поэтому высокочувствительные ОУ нельзя применять без ОС.

Частота единичного усиления f1, на которой модуль коэффициента усиления равен 1 (О дБ).

Скорость нарастания выходного напряжения – это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. При этом на входе напряжение прямоугольной формы и усиление единичное.

 

Схемы включения ОУ.

 

При построении практических схем на ОУ без ОС они не используются. Для реализации функции усиления, как правило, ОУ используются в двух вариантах включения:

- инвертирующем;

- неинвертирующем.

 

 

Инвертирующее включение.

(по 1-ому закону Кирхгофа),

Т.к. при КU→ , то