Операционный усилитель

Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (до раз) коэффициентом усиления и несимметричным или симметричным выходом.

Первоначально операционные усилители применяли в аналоговой вычислительной технике для выполнения различных математических операций (суммирования, умножения, интегрирования и т.д.), т.е. операционным называли решающий усилитель.

Создание дифференциальных усилительных каскадов в интегральном исполнении позволило решить задачу построения универсальных интегральных микросхем операционных усилителей. Сейчас выпускается широкая номенклатура ОУ, в том числе предназначенных для усиления сигналов различных датчиков, радиоэлектронных и технических устройств, а также фотоприборов, включая фоторезисторы, фотодиод и фототранзисторы. Применение ОУ существенно упрощает построение радиоэлектронных устройств и использование фотоприборов для решения задач импульсной техники.

Операционный усилитель никогда не включают без отрицательной обратной связи. При этом уменьшается коэффициент усиления каскада, но расширяется его спектральный диапазон с равномерной АЧХ, снижаются нелинейные искажения, улучшаются функциональные характеристики. Практически можно считать, что характеристики усилительного каскада на ИМС ОУ в основном определяются свойствами цепи отрицательной обратной связи.

Основой ОУ является усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Операционный усилитель имеет большое входное и малое сопротивления, дифференциальный вход и однофазный выход.

Микросхема ОУ 140 состоит из четырех усилительных каскадов.

– входной каскад. Представляет собой высокочувствительный дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 и VT2 с одинаковыми коллекторными резисторами. В общей эмиттерной цепи этих транзисторов находится генератор стабилизации тока (тока коллектора транзистора VT3), выполненный на транзисторах VT3 и VT4. Благодаря такой схеме ОУ имеет большое входное сопротивление, малый уровень дрейфа нуля, большой линейный участок АЧХ и широкую полосу пропускания. Различные варианты дифференциальных каскадов работают в широкой полосе частот (от 0 до 1 Гц), с большим коэффициентом усиления (несколько десятков или сотен) и входным сопротивлением не менее 50 кОм.

Дифференциальный каскад предназначен для усиления дифференциального сигнала, т.е. разности напряжений, приложенных к входам. При полной идентичности параметров составляющих элементов ветвей каскада усилителя напряжения между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 в отсутствие сигналов на входах равно нулю. При идеально стабильном токе коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 не могут одинаково изменяться в одну сторону, т.е. каскад

не реагирует на синфазный сигнал. При идентичных ветвях усилителя коллекторные напряжения равны и при синфазном сигнале не изменяются.

Транзисторы входного каскада работают в режиме микроамперных токов, в результате чего повышается входное сопротивление, но снижается коэффициент усиления каскада. На искажения сигнала в ОУ наибольшее влияние оказывают изменения напряжения в входном каскаде, связанные с нестабильностью температуры, питающего напряжения, старением элементов и т.п. Эти изменения усиливаются последующими каскадами. Поэтому основные меры, уменьшающие влияние дестабилизирующих факторов (снижение шумов, обеспечение идентичности транзисторов и резисторов в плечах дифференциального усилителя и стабильности тока), принимаются в входном каскаде.

II- усилитель напряжения. Выполнен по схеме дифференциального усилителя на транзисторах VT5 и VT6. Его эмиттерный ток не стабилизирован, и он имеет одиночный вход с коллектора транзистора VT6. Этот промежуточный каскад обеспечивает основное усиление по напряжению и осуществляет необходимый сдвиг уровня постоянного напряжения для получения его нулевого значения на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала. В качестве дополнительных промежуточных каскадов усилителя напряжений обычно используются дифференциальные каскады на биполярных транзисторах или простейшие усилители, за которыми следуют каскады сдвига уровня на повторителях напряжения.

В некоторых ИМС ОУ для обеспечения симметрии плеч дифференциального усилителя напряжения к коллектору его второго плеча присоединяется нагрузка, эквивалентная по значению нагрузке первого плеча.

III – цепь сдвига уровня постоянного напряжения. Необходима ввиду отсутствия в схеме разделительных конденсаторов для выделения постоянных составляющих напряжений. В приведенной схеме относительно высокий уровень потенциала на коллекторе транзистора VT6 уменьшается на сумму напряжений базы и падения напряжения на резисторе R6. Стабильность тока транзистора VT7 обеспечивается генератором стабильного тока, собранным на транзисторах VT8 и VT9 (в диодном включении).

IV – выходной каскад. Усилитель напряжения на транзисторе VT9 выполнен по схеме эмиттерного повторителя для усиления мощности. Он также осуществляет увеличение постоянного уровня напряжения на значение, равное напряжению между коллектором и базой. Результирующий сдвиг уровня напряжения на выходе ОУ (вывод 5) равен постоянному напряжению на коллекторе VT6.

Выходной каскад имеет малое выходное сопротивление, широкую полосу пропускания, большое входное сопротивление. В качестве выходного каскада часто применяют повторители напряжения (эмиттерный или истоковый).

ЛИТЕРАТУРА

Е.О. Федосеева, Г.П. Федосеева Основы электроники и микроэлектроники

М. «Искусство» 1990.

И.П. Жеребцов Основы электроники Л. Энергоатомиздат 1990.

А.Б. Грумбина Электрические машины и источники питания радиоэлектронных устройств М. Энергоатомиздат 1990.

Ю.А. Буланов С.Н. Усов Усилители и радиоприемные устройства М. «Высшая школа» 1990.

Б.И. Горшков А.Б. Горшков Электронная техника М. «Академия» 2010.

З.А. Хрусталёва С.В. Парфенов Источники питания радиоаппаратуры М. «Академия» 2009.