Операционным усилителем (ОУ) - называют усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход и общий выход, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными сигналами в схемах с обратными связями.
Согласно ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) обозначения элементов аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на основе прямоугольника (рисунок 5). Он может содержать основное и одно или два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного. На схемах усилитель обозначается треугольником на основном поле.
Рисунок 5
Выводы ОУ делятся на входные, выходные и выводы, не несущие функциональной нагрузки, к которым подключаются цепи напряжения питания и элементы, обеспечивающие нормальную работу ОУ. Входы показывают слева, выход – справа).
Большинство ОУ имеют один несимметричный выход и два входа, симметричных по отношению к общему проводу. Прямые входы и выходы обозначают линиями, присоединенными к контуру графического изображения ОУ без каких - либо знаков, а с кружками в месте присоединения - инверсные входы и выходы. Прямой вход еще называют неинвертирующим, так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданного на его вход. Другой вход называют инвертирующим, так как фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относительно входного сигнала (на средних частотах и при чисто активной нагрузке). Поэтому входы оказывают на выходное напряжение равное в количественном отношении, но противоположное по знаку, влияние. Если к входам приложены синфазные, действующие одновременно, одинаковые по величине и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаимно скомпенсировано, и выход будет иметь нулевой потенциал. Благодаря этому параметру, ОУ мало чувствительны к изменениям напряжения питания, температуры и других внешних факторов. Напряжение на выходе ОУ должно быть лишь в том случае, когда на его входах действуют различные по уровню и фазе сигналы. Выходное напряжение пропорционально разности уровней входных сигналов, называемой дифференциальным сигналом. Выходное напряжение ОУ измеряется относительно общего провода.
Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее напряжение. При двухполярном питании постоянное напряжение на несимметричном выходе отсутствует при условии, что постоянных напряжений на входе ОУ нет.
Наличие рассмотренных выводов необходимо для функционирования ОУ. К вспомогательным относятся: выводы с метками FC - для подсоединения цепи, корректирующей АЧХ ОУ, выводы NC - для подключения элементов балансировки по постоянному току (установки нуля на выходе ОУ), а также вывод металлического корпуса ( ) для соединения с общим проводом.
ОУ специально созданы для использования в схемах с глубокой отрицательной обратной связью (ООС) так, чтобы параметры устройств определялись преимущественно параметрами цепи ООС. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному. С идеальным ОУ обычно связывают следующие свойства: бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания, бесконечное входное и нулевое выходное сопротивление. Кроме того, усилитель не должен иметь статических ошибок, изменяющихся от температуры и времени.
Как и все электронные приборы, операционные усилители характеризуются своими параметрами - основными показателями, по которым выбирают тот или иной прибор для применения в реальной схеме.
– напряжение смещения нуля Uсм, значение которого определяется неидентичностью напряжений Uбэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф Δuсм/ΔT;
– входной ток инверирующего I–вх и неинвертирующего входа I+вх, а также средний Iвх.ср и разностный Iвх.разн входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока Δ Iвх.разн /ΔT;
– максимальное входное дифференциальное Uвх.диф. мах и синфазное
U вх.сс. мах напряжения;
– входное дифференциальное сопротивление Rвх.оу, т. е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;
– входное синфазное сопротивление Rвхсф, т. е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.
Передаточные параметры:
– коэффициент усиления по напряжению Коу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу Коу= Uвых/Uвх.диф;
– коэффициент ослабления синфазного сигнала Коссопределяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала Косс= Коу/ Коу.сс. Он характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;
– граничная частота fгр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе.
– частота единичного усилия f1 т. е. частота, при которой Коу=1. Граничная частота fгр, частота единичного усилия f1 и коэффициент усиления по напряжению Коу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f1= fгр Коу.
– запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φзап, характеризует устойчивость ОУ. φзап =1800 – |φ1|, где φ1 – фазовый сдвиг на частоте f1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 45º.
– максимальный выходной ток Iвых.мах, измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки Rн.мин ;
– максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина Uвых.мах=( Еп– 2) В, что составляет приблизительно 12-13 В.
Переходные параметры:
– скорость нарастания выходного напряжения VU.вых — максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;
– время установления выходного напряжения tуст время за которое выходное напряжение достигает своего стационарного значения с заданной точностью.
Контрольные вопросы
1. Какова область применения ОУ?
2. Понятие об идеальном ОУ и классификация ОУ.
3. При каких условиях реальный ОУ можно считать идеальным?
4. Привести входные параметры ОУ.
5. Привести передаточные параметры ОУ.
6. Привести выходные параметры ОУ.
7. Привести переходные параметры ОУ.
8. Что показывает амплитудно-частотная характеристика ОУ?
9. В чем заключаются основные достоинства ОУ, благодаря которым они широко применяются?
) для соединения с общим проводом.
раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе.