Исследование операционных усилителей

2.1 Общие положения

До появления интегральной схемотехники к классу операционных усилителей (ОУ) относили многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые использовались в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и др. Однако для усилителей постоянного тока на дискретных транзисторах характерны многочисленные недостатки. Так, увеличение числа транзисторов в схеме с целью повышения коэффициента усиления и входного сопротивления усилителя затрудняет его регулировку, приводит к необходимости принятия специальных мер для снижения дрейфа нуля, ухудшает надёжность и другие эксплуатационные характеристики усилителя.

Появление ОУ в виде интегральных микросхем позволило значительно усовершенствовать их технические и эксплуатационные показатели. В настоящее время под ОУ понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых различных функций, в том числе и перечисленных выше.

Интегральные ОУ обычно строятся по схеме с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Если на входе ОУ использовать полевые транзисторы, то можно достичь значения входного сопротивления 10⁹–10¹¹ Ом. Интегральный операционный усилитель имеет обычно два входных зажима – инвертирующий вход (--) и неинвертирующий вход (+). Для обеспечения универсальности применения ОУ должен иметь также два выхода (рис. 2.1), с которых можно снимать два противофазных напряжения U_вых1 и U_вых2. Причём каждое из выходных напряжений может быть положительным или отрицательным по отношению к потенциалу общей (заземлённой) точки двух источников питания +U_и.п. и –U_и.п. Оба разнополярные выходные напряжения должны быть примерно равными по уровню, в связи с чем необходимо равенство по абсолютной величине обоих источников питания.

Рисунок 2.1 – Графическое обозначение ОУ с двумя общими выходами.

Большинство интегральных ОУ промышленного типа имеют один выход (рис.2.2). При этом выходное напряжение U_вых находится в фазе с напряжением U_вх1 и противофазно напряжению U_вх2. В случае необходимости второй вход можно получить за счёт присоединения нескольких дополнительных элементов.

Рисунок 2.2 – Графическое обозначение ОУ с одним общим выходом

Напряжение, приложенное между входами, равно разности напряжений U_вх1 и U_вх2 и называется дифференциальным напряжением.

Выпускаемые ОУ характеризуются большим входным, низким выходным сопротивлениями и очень высоким коэффициентом усиления. Для идеального ОУ считают, что K_u→∞, R_вх→∞, R_вых→0.

Кроме того, к основным параметрам идеального ОУ следует отнести:

1. Бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты f =0.

2. Постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всём диапазоне частот.

3. Отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

На базе ОУ могут быть реализованы различные схемы усилителей, сумматоры-вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, логарифмические усилители и т.д.