ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=104...106), большое входное (Rвх=0.1...100 МОм) и малое выходное (Rвх=50...400 МОм) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...103, но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо.
3.1. Основные параметры ОУ.
Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой группе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств:
1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К;
2) входное сопротивление Rвх.оу и входная емкость Cвх.оу;
3) выходное сопротивление Rвых.оу;
4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характеристика (АЧХ);
5) напряжение питания (обычно ±15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки.
Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий (вход«+»).
Рис. 3.1.
При подаче сигнала на вход «–» выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся:
1) входное напряжение смещения Uсм;
2) входной ток смещения Jсм (входной ток по входу «–» - Jсм1, входной ток по входу «+» - Jсм2);
3) разность входных токов смещения Jр=Jсм1–Jсм2;
4) коэффициент ослабления синфазных сигналов Fs оу, характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно.
Входное напряжение смещения Uсм определяется, как напряжение, которое требуется приложить между входами «–» и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем, чтобы обеспечить Uвых=0. В идеальном случае при нулевом дифференциальном входном напряжение на выходе ОУ напряжение Uвых=0, реально имеется Uвых¹0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального каскада. Когда обеспечено Uвых=0 путем подачи на вход усилителя Uсм, говорят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигналов как на вход «+», так и на вход «–».
ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транзисторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, управляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. Поэтому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протекания постоянных токов смещения Jсм, в противном случае усилитель будет неработоспособен. Входной ток смещения Jсм, приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения
Jсм=(Jсм1–Jсм2)/2, (3.1)
отличие во входных токах смещения характеризуется справочными параметром
Jр.=Jсм1–Jсм2. (3.1а)
Влияние параметров Uсм, Jсм, Jр на работу усилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе.
3.2 Схемы включения ОУ
Основными схемами включения ОУ являются инвертирующая, неинвертирующая, дифференциальная схемы.
Инвертирующее включение ОУ
Схема инвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.2.
Рис. 3.2 Рис 3.3
Сопротивление отрицательной обратной связи Rос, включенное с выхода усилителя на инвертирующий вход «–», образует цепь параллельной обратной связи по напряжению. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя:
K_ = _ ___ KRос_____________________
R1(Rос/R1 + Rос/Rвх.оу + 1 + K) (3.3)
где Rвх.оу, - дифференциальное входное сопротивление ОУ,
К - коэффициент усиления ОУ без ООС.
При Rвх.оу >> Rос и К >> 1
K_ » - Rос / R1. (3.4)
Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной R1:
Rвх.ус » R1,
и так как R1 относительно мало (от единиц до сотен килоом), то эта схема включения характеризуется малой величиной входного сопротивления.