2.2. Интегральные операционные усилители и их основные показатели

Операционными усилителями (ОУ) называются многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом и несимметричным выходом. Операционными они называются потому, что первоначально предназначались для выполнения математических операций над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах (сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и т.д.). Первоначально ОУ выполнялись на лампах и имели большие размеры и стоимость. Сейчас их изготавливают в виде интегральных микросхем (чаще полупроводниковых), поэтому они имеют миниатюрные размеры, низкую стоимость и являются самыми универсальными аналоговыми компонентами радиоэлектронной аппаратуры, используемыми в измерительных приборах, усилителях звуковых частот, видеоусилителях, стабилизаторах напряжения, в схемах сравнения и т.д.

Н а рис. 4 изображена принципиальная схема простейшего ОУ типа 140УД1.

ОУ содержит два ДК (VT1, VT2 и VT4, VT5) с ГСТ (VT3, VT6) в первом из них. С эмиттеров второго ДК на базу VT3 замкнута петля отрицательной обратной связи (ОС), охватывающей эти каскады по синфазной помехе с целью ее дополнительного ослабления. Имеется также каскад сдвига уровня (VТ7). Емкость запертого диода VD используется для увеличения пассивной передачи высших частот (коррекция на опережение), чтобы они не ослаблялись схемой сдвига. На выходе включен эмиттерный повторитель (VT9). В схеме сдвига участвует также VT8, который, кроме того, совместно с VT9 образует петлю положительной ОС, благодаря которой сопротивление между точками a и b становится отрицательным, и коэффициент передачи "делителя" напряжения, состоящего из R5 и Rab, оказывается больше единицы. Это позволяет получить полную амплитуду выходного напряжения, несмотря на пониженную достижимую амплитуду на коллекторе VТ5. Выводы 12 и 3 служат для подключения внешних цепей коррекции.

Н а схемах электронной аппаратуры ОУ графически обозначается прямоугольником (рис.5), в верхней части которого изображается равносторонний треугольник, указывающий направление передачи сигнала. Кроме того, допускается проставлять знак ∞, символизирующий высокий коэффициент усиления. Выводы входов делают c одной стороны прямоугольника, а выход выводят с противоположной стороны. Тот вход, напряжение с которого проходит на выход без изменения фазы, называется неинвертирующим. Другой вход является инвертирующим. Его вывод отмечается кружком. Прямоугольник может быть разделен на основное и дополнительные (одно или два) поля, расположенные справа и слева от основного. На дополнительных полях указывают назначения дополнительных выводов, например, выводов питания, частотной коррекции (FC), балансировки нуля (NC), корпуса микросхемы.

В исходном состоянии постоянные напряжения входов и выхода относительно земли равны нулю. Это достигается применением двух источников питания разной полярности. Их напряжения +Е_П и -Е_П (рис. 5) подаются относительно земли, обычно берутся одинаковыми и составляют единицы или десятки вольт.

Перейдем теперь к основным техническим показателям ОУ. На рис. 4 дифференциальное входное напряжение подается между выводами микросхемы 9 и 10). Отношение выходного напряжения к дифференциальному входному называется коэффициентом усиления ОУ

.

По сути дела это коэффициент усиления дифференциального напряжения. Он очень велик и обычно составляет тысячи или десятки тысяч, измеряется на частоте 1 кГц.

Входные сопротивления ОУ (R_вх.д и R_вх.сф), коэффициент ослабления синфазных входных напряжений (К_осл.сф) определяются так же, как и у входного ДК. В роли синфазной входной помехи чаще всего выступает наводка от питающей сети с частотой 50 Гц.

Выходное сопротивление R_вых ОУ составляет десятки или сотни Ом и определяется оконечным эмиттерным повторителем. Полоса пропускания на уровне 0,707 определяется граничной частотой усилителя. Кроме того, применяется частота единичного усиления f₁. Это частота, на которой К_д = 1. Величина f₁ обычно имеет значение не менее сотен килогерц.