5. Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) — это усилители постоянного тока, предназначенные для осуществления как линейных, так и нелинейных преобразований сигналов, причем вид преобразования (операция) определяется лишь структурой внешней по отношению к усилителю сменной цепи обратной связи. При этом один и тот же ОУ, в зависимости от подключаемой к нему цепи обратной связи, может производить инвертирование, интегрирование, нелинейное функциональное преобразование входного сигнала, суммирование (с разными весами и знаками) нескольких сигналов, перемножение мгновенных значений двух сигналов и др.

Универсальность ОУ и высокая точность выполнения операций, задаваемых структурой цепи обратной связи, обеспечиваются высоким коэффициентом усиления ОУ (К_U без обратной связи достигает 10⁵ и выше), высоким входным и низким выходным сопротивлениями, а также малым дрейфом нуля. Для обеспечения устойчивости ОУ при работе с разнообразными цепями обратной связи (возможно с комплексным коэффициентом передачи) осуществляется тщательный выбор его амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ) и принимаются меры, гарантирующие их стабильность.

На рис. 1.8. показана схема операционного усилителя и его 5 выводов:

1. U₁ – сигнал на неинвертирующем входе;

2. U₂ – сигнал на инвертирующем входе;

3. U_вых – выходной сигнал;

4. +U_пит - положительный вывод питания;

5. - U_пит - отрицательный вывод питания.

Рис. 1.8. Схема операционного усилителя

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

Двуполярное питание обеспечивает возможность инверсии знака напряжения на инвертирующем входе U₂, т.е. при подаче на вход U₂ положительного сигнала на выходе сигнал будет отрицательным. Напряжение питания ОУ обычно +15 В/-15В.

В ОУ без обратной связи коэффициент усиления К_U сильно зависит от частоты (K_U падает с увеличением частоты как показано на (рис. 1.9, кривая 1), поэтому для создания "плоской АЧХ" вводят корректирующие RC-цепи (кривые 2 и 3). Для балансировки нуля также используют внешний переменной резистор.

Рис. 1.9. Графики АЧХ

Кроме того, при высоком значении коэффициента усиления трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. Если часть выходного сигнала направить обратно на вход в противофазе с входным сигналом, т.е. создать отрицательную обратную связь, то усилитель будет более стабильным, но это приведет к снижению коэффициента усиления. Типичные схемы включения ОУ с отрицательной обратной связью имеют коэффициент усиления от 10 до 1000, тогда как коэффициент усиления ОУ без обратной связи находится в диапазоне от 10⁵ до 10⁷. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерации, т.е. становится автогенератором.

Для питания ОУ применяются блоки питания со стабилизацией напряжения, позволяющие получить стабильные параметры и точность регулирования. Для построения блока питания можно применить специализированные микросхемы, имеющие в своем составе сложные стабилизаторы напряжения и устройства защиты нагрузки и сети от аварийных режимов, позволяющие максимально упростить конструкцию и размеры схемы. На рис. 1.10 приведен пример построения блока питания операционных усилителей на базе микросхем LM317 и LM337 производства National Semiconductor, выпускаемые в корпусах ТО-220. Данные микросхемы имеют всего 3 вывода (вход, выход и коррекция, см. рис. 1.10) и требуют для своей работы минимум элементов. В зависимости от мощности, питаемой нагрузки, микросхемы могут устанавливаться на теплоотводящих радиаторах, при этом максимальная нагрузка составляет 1,5А.

Рис. 1.10. Схема блока питания на стабилизаторах и

назначение выводов микросхем в корпусе ТО-220

На схеме блока питания представлены конденсаторы С₁ и С₂, образующие фильтр на входе.

Фильтр предназначен для сглаживания напряжения после выпрямителя. Обычно используется электролитический конденсатор достаточно большой емкости.

Выбор конденсаторов производится в соответствии с его рабочим напряжением. Необходимо выбирать конденсаторы с запасом по напряжению примерно 41%. Например, в блоке питания на 5 В вторичная обмотка трансформатора будет на 7 - 10 В. С учетом повышения напряжения на 41% необходимо выбрать конденсатор на напряжение не менее 14 В, для стандартного ряда – 25 В.

На выходе фильтра установлен стабилизатор напряжения (LM317, LM337). Данная микросхема служит для стабилизации диапазона напряжений.

Мощность, выделяемая на микросхеме (рассеиваемая микросхемой), определяется так:

Если мощность получается больше, чем 0,5-0,7 Вт, то нужно использовать теплоотводящий радиатор.

Выходное напряжение блока питания может быть выбрано в диапазоне от 1,25 до 30 вольт и зависит от соотношения сопротивлений R₁ и R₂ (R₃ и R₄), причем величина рекомендуется производителем:

Отсюда можно найти значение сопротивления R₂ для получения требуемого напряжения на выходе.

В нашем случае, для работы операционных усилителей требуется ±15 вольт, значит величина R₂ должна быть равна:

Выбираем сопротивление MPR2400 с номиналом соответствующим номинальному ряду Е192, т.е. 2,64 кОм по табл. П.5.

После стабилизаторов на выходе блока питания установлены конденсаторы С₃ и С₄ для предотвращения самовозбуждения микросхем стабилизаторов. Для каждой микросхемы используют два конденсатора: один на вход, другой на выход. Если проводник, соединяющий эти конденсаторы с микросхемой, имеет длину более 7 см, то необходимо дополнительно установить конденсаторы возле микросхемы стабилизатора. Емкости С₃ и С₄ должны выбираться в диапазоне от 0,1 мкФ до 4,7 мкФ.