Термин операционный усилитель (ОУ) возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соответствующими обратными связями применяются для выполнения различных математических операций (интегрирование, суммирование и т.д.). Разработка ОУ в виде интегральных ИМС привела к существенному расширению функций таких усилителей. Поэтому в современном понимании операционный усилитель — это усилитель напряжения, имеющий в полосе частот от нуля до нескольких мегагерц коэффициент усиления порядка десятков и даже сотен тысяч.
Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, один, два или три каскада усиления напряжения (причем входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме), выходной каскад (эмиттерный повторитель) и цепи согласования каскадов между собой.
В качестве примера на рис. 4априведена принципиальная схема усилителя К1УТ401. Он содержит три усилительных каскада. Первый усилительный каскад построен на транзисторах Т1 и ТЗ по симметричной дифференциальной схеме и имеет два симметричных входа (инверсный1—9 и прямой — 10). Этот каскад нагружен на два также симметричных входа второго балансного каскада на транзисторах Т4 и Т6 и коллекторные резисторы R1, R3. Во втором каскаде нагрузочное сопротивление R8 включено только в одно плечо. Это позволяет перейти от симметричной схемы к несимметричной. Назначение транзисторов Т2 и Т5 (в диодном включении), а также резисторов R2, R5, R6 и R7, не отличается от аналогичных элементов схемы дифференциального усилителя. Эти элементы обеспечивают глубокую отрицательную обратную связь и тем самым стабилизируют работу усилителя.
Рис. 4. Операционный усилитель типа 1УТ401А:
а — схема электрическая принципиальная;
б— условное графическое обозначение
Напряжение питания подается на выводы 1 и 7 (соответственно —Uип и + Uи.п)- Вывод 4 — общий, остальные выводы используются для контроля режима или подключения внешних элементов в зависимости от конкретного применения микросхемы. Обычно выходное напряжение снимается с вывода 5.
Особо следует рассмотреть работу выходного каскада. Дело в том, что отсутствие разделительных конденсаторов в схеме операционного усилителя может привести к появлению постоянной составляющей на выходе усилителя. Чтобы этого не произошло, используемся так называемый усилитель амплитуды сигнала, или транслятор уровня, собранный на транзисторах Т7 и Т8. Благодаря включению резистора R9 между эмиттером транзистора Т7 и коллектором транзистора Т8 снижение потенциала не сопровождается заметным уменьшением усиления. Так как резистор R9 и сопротивление Коллекторного перехода транзистора Т8 образуютделитель с большим сопротивлением нижнего (транзисторного) плеча, сигнал почти без затухания поступает на базу транзистора Т9 выходного каскада. Компенсация температурного дрейфа напряжения эмиттер — база транзистора Т8 обеспечивается транзистором Т5.
Выходной каскад на транзисторе Т9 выполнен по схеме эмиттерного повторителя. Он предназначен для усиления сигнала по мощности. Повышению усиления способствуют положительная обратная связь за счет передачи части выходного напряжения с делителя R10—R12 на эмиттер транзистора Т8. Часть напряжения синфазной помехи, которая просачивается на выход усилителя, по цепи отрицательной обратной связи воздействует на базу транзистора Т2, ослабляя действие помехи. Диод Д1 выполняет термокомпенсационные функции.
Благодаря использованию весьма сложной схемы выходного каскада удается обеспечить согласование выхода операционного усилителя с нагрузкой, сохранив при этом высокий коэффициент усиления и стабильность работы усилителя в широком диапазоне частот (до нескольких мегагерц) [25; 26].
К числу основных параметров операционных усилителей следует отнести:
напряжение источника питания Uип;
ток потребления Iпот — значение тока, потребляемого микросхемой от источников питания в заданном режиме;
коэффициент усиления напряжения KyU — отношение выходного напряжения микросхемы к входному напряжению;
средний входной ток Iвхср —- среднее арифметическое значение входных токов, протекающих через входы сбалансированной микросхемы (напряжение па выходе при этом равно нулю);
напряжение смещения Ucм -значение напряжения постоянного тока на входе микросхемы, при котором выходное напряжение равно нулю;
разность входных токов — разность значений токов, протекающих через входы микросхемы в заданном режиме;
коэффициент ослабления синфазных входных напряжений Кос.сф — отношение коэффициента усиления напряжения микросхемы к коэффициенту усиления синфазных входных напряжений;
выходное напряжение Uвых
входное сопротивление Uвх — сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой присоединен к земле;
выходное сопротивление — сопротивление усилителя со стороны выходного зажима в данном режиме, когда напряжение на этом зажиме равно нулю;
скорость нарастания выходного напряжения VUвых — скорость изменения выходного напряжения микросхемы при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы;
максимальное синфазное входное напряжение Uсф.вх.max — максимальное значение напряжений между каждым из входов микросхемы и общим выводом, амплитуды и фазы которых совпадают;
максимальное входное напряжение Uвыхmax — наибольшее значение входного напряжения усилителя, при котором выходное напряжение соответствует заданному значению.
сопротивление нагрузки Rн — значение активного сопротивления, подключаемого к выходу операционного усилителя, при котором обеспечивается заданное усиление.
Литература:
Анисимов М.В. Элементы электронной аппаратуры и их использование. – К.: Высшая школа, 1997, с. 69 – 81.
