Операционные усилители и их применение
Операционные усилители (ОУ) благодаря своей универсальности и возможности многофункционального использования нашли широкое применение в электронной аппаратуре. Они представляют собой дифференциальные усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис. 1.
Рисунок 1 - Обозначения операционного усилителя
Принципиальные схемы ОУ содержат один, два или три транзисторных каскада усиления напряжения, причем входной каскад выполняется по дифференциальной схеме, выходной каскад усиления тока и цепи согласования каскадов между собой.
Эквивалентная схема ОУ для низких частот показана на рис.2. Входящие в эту схему суммирующие узлы предполагаются идеальными. Точно также предполагаются идеальными масштабирующие звенья.
Рисунок 2 - Эквивалентная схема ОУ для низких частот
Как видно из эквивалентной схемы, ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов называется инвертирующим, другой – неинвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с уменьшением напряжения на инвертирующем входе 
и с увеличением напряжения на неинвертирующем входе 
.
Разность напряжений на входах ОУ называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений – синфазным входным сигналом /1/.
К основные параметрам ОУ относятся следующие параметры. Коэффициент усиления ОУ при разомкнутой цепи обратной связи К - это отношение приращения выходного и входного напряжений при работе усилителя на постоянном токе:
К=Δ 
/ 
Из-за асимметрии плеч (несогласованности каскадов) дифференциального усилителя первого каскада имеется разбаланс ОУ, которому соответствует мнимый дифференциальный входной сигнал. Напряжение смещение нуля 
- это дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение для ОУ, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3…10 мВ. У усилителей с полевыми транзисторами на входе напряжение смещения почти на порядок больше - 10…100 мВ. В большинстве ОУ предусматриваются выводы, через которые осуществляется компенсация (балансировка) напряжения смещения нуля с помощью внешнего подстроечного резистора.
Напряжение смещения нуля зависит от значения напряжения питания и от температуры и характеризуется температурным коэффициентом напряжения смещения 
.
Средний входной ток 
- это среднеарифметическое значение токов
инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, измеренное при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение равно нулю. На экви-валентной схеме рис. 2 входные токи отражены в виде источников тока 
и 
.
Разность входных токов Δ - это абсолютное значение разности входных токов усилителя, измеренное при нулевом выходном напряжении.
Значение Δ 
составляет обычно 10…20 % 
. Значения и Δ зависят от температуры, причем в значительно большей степени у операционных усилителей с входными каскадами на полевых транзисторах. Данная зависимость характеризуется температурным коэффициентом входного тока.
С помощью параметра может быть рассчитано входное дифференциальное сопротивление ОУ:
=2 
/ ,
где - температурный потенциал (при 20ºС 
= 25мВ).
Входное сопротивление для синфазного сигнала 
- это сопротивление между каждым из входов ОУ и общим проводом. Величина обычно на один-два порядка и более превышает . На эквивалентной схеме рис.2 входное сопротивление 
показано в виде резистора, включенного между входами усилителя, а сопротивление в виде двух резисторов, включенных параллельно источникам токов и .
Коэффициент ослабления синфазного сигнала 
- отношение коэффициента усиления к коэффициенту передачи синфазного сигнала.
Тракт передачи синфазного сигнала на эквивалентной схеме рис.2 показан в виде сумматора входных сигналов и безынерционного звена с коэффициентом передачи 0,5/ , напряжение с выхода которого подается через другой сумматор на вход основного усилительного звена.
Выходное сопротивление ОУ 
определяется так же, как и для любого другого усилителя, и составляет величину, лежащую в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен Ом. Для всех ОУ оговаривается значение предельного выходного тока. Превышение этого значения может вы-вести, усилитель из строя. Динамические свойства ОУ определяются, как правило, тремя параметрами: частотной полосой усиления, скоростью нарастания выходного сигнала и временем установления выходного напряжения.
Операционные усилители обеспечивают усиление в полосе частот от нуля до верхней граничной частоты 
. Частотные свойства ОУ определяют его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), вид которой зависит от методов коррекций и значений емкостей корректирующих конденсаторов.
Частота среза 
(частота первого полюса АХЧ) - это частота, на которой значение коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи снижается на 3 дБ по сравнению с его значением на частоте равной нулю.
Частота единичного усилителя - это частота, на которой коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратное связи снижается до единицы.
Способность ОУ реагировать на быстрые (ступенчатые, прямоугольные) изменения входного сигнала характеризуется как его частотными свойствами, так и скоростью нарастания выходного напряжения и временем установления.
Рисунок 3 - Логарифмические амплитудно-частотные
характеристики некоторых ОУ
Скорость нарастания выходного напряжения 
определяет максимальную скорость изменения выходного напряжения при подаче на вход ступеньки напряжения при максимальной амплитуде выходного сигнала, при котором ОУ может работать без больших искажений.
Время установления 
- интервал времени от момента подачи входной ступеньки напряжения до момента, когда выходное напряжение достигнет установившегося значения с заданной точностью. Операционные усилители с высокой скоростью нарастания выходного напряжения могут иметь большое время установления и наоборот.
Операционный усилитель характеризуется, кроме того, диапазоном допустимых входных напряжений. Предельное дифференциальное входное напряжение 
- это максимальное напряжение, которое не приводит к необратимому нарушению работоспособности ОУ.
Предельное синфазное напряжение 
- это максимальное синфазное напряжение, которое может быть подано на вход, не вызывая нарушения его работы, при котором усилитель еще работает в линейном режиме.
Указанное в справочниках номинальное выходное напряжение 
указывает на пределы его изменения (размах), при которых отсутствуют ограничения амплитуды.
Для питания ОУ требуется два разнополярных источника питания, имеются ОУ, которые могут работать и от одного (однополярного) источника.
Шумовые свойства ОУ характеризуются напряжениями и токами шумов на одной определенной частоте или в диапазоне частот.
Различают также мощность рассеяния - мощность, выделяемую при оп-ределенном токе нагрузки, и мощность потребления - мощность, выделяющуюся при отсутствии входного сигнала и нагрузки.