Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие параметры:

- коэффициент усиления по напряжению ;

- входное сопротивление ;

- выходное сопротивление .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 9.1.

Здесь:

вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным;

выход – однотактный;

+Е_п и ‑Е_п –‑ выводы двух источников питания Е_п или двуполярного источника.

Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей.

Основные параметры реальных ОУ:

а) коэффициент усиления диффе-ренциального сигнала

;

б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;

в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах ;

г) входное сопротивление R_вх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);

д) выходное сопротивление R_вых = 20 ¸2000 Ом;

е) амплитудно-частотная ха-рактеристика (АЧХ) – – зависимость коэф-фициента усиления от час-тоты (линеаризованная ха-рактеристика в логарифми-ческом масштабе – диаграмм-ма Боде) приведена на рисун-ке 9.2,а

Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом);

ж) фазочастотная характери-стика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты (рисунок 9.2,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус . ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.

и) ‑ частота единичного усиления, т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи сигнала – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 9.3. Обычно .

л) сли при U_вх = 0 также и U_вых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется при U_вх = 0 (рисунок 9.4).

м) U _{вхсмещ нуля} или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. (рисунок 9.4). Оно примерно равно 1...3 мВ;

н) разность входных токов ‑ 5…50 нА;

п) диапазон допустимых синфазных напряжений – это максимальное одинаковое напряжение на обоих входах, чтобы ОУ не вошел в насыщение или отсечку – 3…13 В;

р) скорость нарастания выходного напряжения при подаче на вход перепада, примерно равна 0,1…10 В/мкс.

Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 9.5.

Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT₁ ¸ VT₄. Основные транзисторы VT₁ и VT₂ ‑ p-n-p-типа. Динамическая нагрузка (транзисторы VT₃ и VT₄ ‑ n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов (см. п. 8.3). ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ₁ в эмиттерной цепи слу-жит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения. Каскад обеспечивает требуе-мые входные параме-тры ОУ.

Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT₅ и VT₆ по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ₂. Емкость С_К »30pF ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD₁ и VD₂ для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде.

В выходной каскад входят: комплементарная паратранзисторов VT₇ (n-p-n-типа)и VT₈ (p-n-p-типа), диоды VD₁ и VD₂, генератор стабильного тока ГСТ₂,транзистор VT_6.. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ₂, VD₁, VD₂ и VT_6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT₇ и VT₈. Причем. . Необходимое начальное смещение, как было уже сказано, задается диодами VD₁ и VD₂. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.

При отсутствии сигнала на входе ОУ U_ВХ = 0 ток через нагрузку I_Н = 0. Через транзисторы VT₇ и VT₈ течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс U_VD1 на транзисторе VT₇ и минус U_VD2 – на транзисторе VT₈. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT₆.за счет источников напряжения питания + Е_п1 и ‑ Е_п2 нааноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT₇ и VT₈ открыты поочередно. При подаче с коллектора VT₆ положительного перепада напряжения транзистор VT₈ запирается, а VT₇ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п1, кэ_VT7, R_н, ‑ Е_п1. При подаче с коллектора VT₆ отрицательного перепада напряжения транзистор VT₇ запирается, а VT₈ – отпирается. Ток течет по цепи: + Е_п2, R_н, кэ_VT8, ‑ Е_п2.