Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель постоянного тока (УПТ) обычно прямого усиления с большим коэффициентом усиления по напряжению. Поэтому на ОУ можно выполнять узлы аппаратуры, показатели которой в основном определяются элементами цепи ОС, вводимой в ОУ.
Дифференциальные усилители
УПТ, выходное напряжение которого пропорционально разности напряжений входных сигналов, называютдифференциальным усилителем (ДУ). На рис. 7.24 упрощенная схема ДУ с симметричными входами и выходами. Она состоит из двух симметричных плеч (VT1 и R1, VT2 и R2) и генератора тока, подключенного к эмиттерам транзисторов. Входным сигналом ивх является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2, выходным — разность напряжений на Вых1 и Вых2. Если ивх = 0, через оба транзистора протекают одинаковые токи, напряжения на выходах также одинаковы. Выходное напряжение, представляющее собой разность напряжений Вых1 и Вых2, равно нулю, независимо от коэффициента усиления схемы.
Если напряжение на входе одного из транзисторов увеличить, то возрастет ток соответствующего транзистора. Симметрия схемы нарушится и появится выходное напряжение, пропорциональное входному. Входы и выходы ДУ на рис. 7.24, а называют дифференциальными (разностными).
Одновременное однополярное изменение напряжения на обоих входах на одинаковое значение называется синфазным. В идеальном ДУ при подаче на его входы синфазного напряжения выходное напряжение равно нулю.
В микросхеме ДУ типа К118НД1 (рис. 7.24, б) генератором тока служит транзистор VT3 с резистором в цепи эмиттера. Транзистор в диодном включении VT4 служит для температурной компенсации сдвига входной характеристики транзистора VT3. Выходы 2, 8, 11, 12 служат для модификации режима работы ДУ.
Структурная схема операционного усилителя
УПТ с дифференциальным входом, большим входным и малым выходным сопротивлениями и высоким коэффициентом усиления напряжения называют операционным усилителем (ОУ). Происхождение термина «операционный» связано с возможностью выполнения с помощью таких усилителей аналоговых обработок сигналов, эквивалентных операциям сложения, умножения и др. ОУ используют исключительно с внешней цепью обратной связи, которая и определяет свойства ОУ в каждом конкретном применении (в отличие, например, от ДУ, где свойства схемы определяются ее внутренним устройством). Он является универсальным базовым элементом для построения самых различных функциональных узлов аналоговой аппаратуры.
Идеальный ОУ должен иметь:
бесконечно большие коэффициент усиления по напряжению Ku, входное сопротивление Rвх и частоту единичного усиления fi
нулевое выходное сопротивление.
Спад Ku на высоких частотах с ростом частоты не должен быть круче, чем 20 дБ на декаду (т.е. Ku не должен уменьшаться более чем в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз). При нулевой разности напряжений на входах идеального ОУ выходное напряжение должно быть равно нулю.
ОУ — это аналоговая схема, снабженная, как минимумом, пятью выводами. Её условное графическое изображение приведено на рис. 7.25, а. Два вывода ОУ используются в качестве входных; один вывод выходной, два оставшихся вывода используются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазных соотношений входного и выходного сигнала один из выходных выводов (вход 1) называется неинвертирующим, а другой (вход 2) – инвертирующим.
Из приведенного напряжения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал).
Как отмечено ранее, КU0 в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105.. 106 или 100. ..120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Средний вывод этого источника, как правило, общая шина для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3…±18 В. Использование
источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ.
Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов, используемых для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ (логарифмическая амплитудно-частотная характеристика) усилителя.
Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе схемы однокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трёх- каскадных усилителей постоянного тока.
Функциональная схема трехкаскадного ОУ, приведенная на рис. 7.24, б, включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного усиления сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.п.