Операционный усилитель (ОУ) был создан для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.
Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов.
Преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей внешних обратных связей и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных функциональных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных транзисторах. Поэтому операционные усилители стали сегодня основой элементной базы во многих областях аналоговой схемотехники.
Рис.2.1.Условное графическое обозначение операционного усилителя.
Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя, т.е. ОУ имеет два входа — инвертирующий и неинвертирующий. В дальнейшем неинвертирующий вход обозначается знаком «+» или буквой «р» (positive — положительный), а инвертирующий — знаком «—» или буквой «п» (negative — отрицательный). На схемах инвертирующий вход дополнительно обозначается кружком.
Дифференциальный усилитель
Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.
Усилитель напряжения(промежуточный каскад)
Имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.
Выходной усилитель(окнечный каскад)
Выходной каскад — обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкоевыходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.
Будем называть операционный усилитель идеальным, если он имеет следующие свойства:
а) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (у реальных ОУ KV лежит в пределах 103...30 .106);
б) нулевое напряжение смещения нуля V0FF, т. е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю независимо от синфазного входного напряжения (у реальных ОУ K0FF, приведенное к входу, находится в пределах (1 мкВ... 50 мВ);
в) нулевые входные токи по обоим входам (у реальных ОУ они лежат в пределах от сотых долей пА до единиц мкА);
г) нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);
д) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;
e) мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения лежит в пределах от единиц нc до сотен мкс).
ДОП
Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. Как правило, ОУ используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
Общие сведения
ОУ представляют собой усилители медленно изменяющихся сигналов с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и высокой производимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных элементах. ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем во многих областях аналоговой схемотехники.
На рис.1 приведена схема ОУ. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:
Uвых = U1 - U2
Рис. 1. Обозначение ОУ
Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двух полярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В
Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.
Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.
Рис. 2. Принцип отрицательной обратной связи
Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.
Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент выходное напряжение Uвых, а следовательно, и напряжение обратной связи Uвых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит Uд = Uвх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления KU, то величина Uвых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина Uвых. Это приведет к уменьшению напряжения Uд, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ
Uвых =KUUд =KU(Uвх - Uвых).
Решив это уравнение относительно Uвых, получим:
K=Uвых /Uвх =KU/(1 + KU) (1)
Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.
На рис. 3 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного операционного усилителя.
Рис. 3. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя
В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:
Здесь KU - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты fп, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления KU обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение
|KU| f = |KU| fп = fт
На частоте fт модуль дифференциального коэффициента усиления |KU| = 1. Как следует из последнего выражения, частота fт равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.