Основные сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель - это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному усилит­елю». Идеальный усилитель должен отвечать следующим свойствам:

1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А→∞);

2) бесконечное полное входное сопро­тивление (Z_вх→∞);

3) нулевое полное выходное сопротивление (Z_вых→0);

4) равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах (U₁= U₂);

5) беско­нечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложе­ний точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

Рис. 10. Эквивалентная схема усилителя

Первый каскад операционного усилителя - это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (т. е. U₂ - U₁на рис. 1 и 2) и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно с одинаковой фазой и амплитудой (синфазные сигналы).

Рис.11. Условное обозначение усилителя

Кроме того, дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируются чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.

За входным каскадом, как показано на рис. 12, следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току. Последовательное усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току - для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада без того, чтобы нагрузить входной каскад. В промежуточных каскадах могут быть использованы как дифференциальные, так и однополюсные схемы.

Рис. 12. Блок-схема операционного усилителя

Оконечный каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Кроме того, этот каскад должен иметь достаточно высокое полное входное сопротивление, чтобы не нагружать последний из промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

На рис. 13 показана упрощенная схема операционного уси­лителя. Прежде всего, следует сделать несколько замечаний относительно его входной цепи. Сопротивления в цепях эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ повышают полное входное сопротивле­ние входного каскада. Токи коллекторов во входном каскаде обычно невелики, так что диоды эмиттер – база входных тран­зисторов имеют высокое сопротивление переменному току, и схема может действовать при малых входных токах. Проиг­рыш в коэффициенте усиления первого каскада, который при этом получается, впоследствии должен быть восполнен в про­межуточных каскадах. Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам ток эмиттера первого каскада задается с помощью источника постоянного тока. Поскольку источник постоянного тока имеет высокое внутреннее сопротивление r_вых,коэффициент усиления дифференциального усилителя по отно­шению к синфазным сигналам А_сс получается очень низким.

Чтобы уменьшить входной ток, необходимый для возбуждения дифференциального усилителя, и увеличить его входное сопротивление, в качестве транзисторов первого каскада Т₁и Т₂ можно использовать полевые транзисторы. Использование полевых транзисторов (с р – n-переходом или МОП-транзисторов) позволяет получить очень высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители на поле­вых транзисторах имеют более высокое входное напряжение сдвига U_сдв, которое сильнее зависит от температуры, чем у усилителей на биполярных транзисторах, однако эти недостатки могут быть сведены к минимуму с помощью различных цепей обратной связи внутри усилителя. Существуют инте­гральные схемы (ИС) операционных усилителей, в которых для повышения полного входного сопротивления на входе исполь­зуются полевые транзисторы, а в остальных цепях усилителя – биполярные.

Рис.13. Упрощенная схема операционного усилителя

Если коэффициент усиления по напряжению равен 10 (А₁= = 10) для первого каскада, 100 (А₂=100) для второго и 20 (А₃= = 20) для третьего каскада, то общий коэффициент усиления А является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов:

А = А₁А₂А₃= 10·100·20 = 20 000,

т. е. довольно большой величиной.