Операционные усилители

1. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

1.1.  Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель - это многоцелевой дифференциальный усилитель постоянного тока. Операционные усилители (ОУ), выпускаются в виде микросхем, состоят из двух или трех каскадов, не считая выходного. Структурная схема ОУ приведена на рис. 1. Входной каскад - балансный усилитель постоянного тока, выполненный на биполярных или полевых транзисторах. Второй каскад может быть балансным или небалансным, третий, если он есть, - небалансный; выходной каскад - двухтактный класса АВ. Устойчивость ОУ обеспечивается внутренней или внешней (по отношению к микросхеме ОУ) цепью коррекции.

Рис.1 Структурная схема операционного усилителя

Все операционные усилители можно разделить на 5 групп:

1)  быстродействующие широкополосные - ОУ с высоким быстродействием и широкой полосой пропускания;

2)  прецизионные (высокоточные) - ОУ с низкой суммарной погрешностью;

3)  общего применения - ОУ имеющие средние значения параметров по сравнении с. быстродействующими и прецизионными;

4)  микромощные - ОУ с низким потреблением энергии от источников питания при отсутствии входного сигнала

5)  мощные ОУ, способные отдавать в нагрузку большую выходную мощность.

Примеры микросхем ОУ различных групп:

a)  быстродействующие - 140УД11, 154УД2, 154УД4. 574УД1, 574УДЗ, 1420УД1;

b)  прецизионные 140УД17, 140УД25, 140УД26, 153УД5;

c)  общего применения - 140УД22, 153УД6. 157УД4, 544УД1, 544УД2, 551УД1;

d)  микромощные - 140УД12, 140УД14, 140УД28, 153УД4, 154УД1, 1407УД2. 1408УД;

e)  мощные - 157УД1, 1040УД2, 1408УД1, 1422УД1.

Выпускаются микросхемы, содержащие в одном корпусе два и более операционных усилителей: 140УД20, 157УДЗ, 574УД2, 1005УД1, 1401УД4, 1426УД1, 1434УД1. Электрическая модель операционного усилителя описывается системой параметров, образующих четыре группы: входные параметры, параметры передачи, выходные параметры и параметры цепей питания [1].

Простейшая эквивалентная схема ОУ и матрица проводимостей представлены на рис. 2.

Рис. 2. Операционный усилитель
а - эквивалентная схема;  б - матрица проводимостей

В матрице проводимостей g_вх и g_вых – входная и выходная проводимости ОУ, m(p) – передаточная функция ОУ, р=s+jw- лапласовская переменная.

где m₀ – коэффициент усиления ОУ по дифференциальному входу на холостом ходе на частотах близких к 0.

t_вi- высокочастотная постоянная времени i-го каскада, n - число каскадов (2 или 3).

При анализе схем, работающих в области не очень высоких частот (по отношению к верхней граничной частоте w_гр ОУ). достаточно учитывать только одну постоянную времени t_в = l/w_гр .

                                                                        (1)

Для многих приложений операционный усилитель можно считать идеальным усилителем с параметрами m₀ ® ¥ , t_в ® 0, g_вх ® 0, g_вых ® ¥. 

1.2. Усилители с обратной связью

В усилителе с обратной связью (ОС) имеет место передача сигнала с его выхода на вход, реализуемая через специальную цепь, называемую цепью обратной связи (рис 3). Петлю обратной связи образуют собственно усилитель с коэффициентом усиления
 К=U_{eых с}/U_{вх c} и цепь ОС с коэффициентом передачи b=U_с/U_{вых c} (сумматор S- это входная цепь усилителя; с целью упрощения выражений коэффициенты передачи сумматора приняты равными единице). Напряжение на выходе цепи ОС, возникшее в результате действия на ее входе (выходе усилителя) напряжения U_{вых c} называется напряжением обратной связи U_c.