.

Операционные усилители.

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения — выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия.

Необходимо отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС. Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (Kи ОУ=∞), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

 На рисунке приведено два варианта условных обозначений ОУ —

  • упрощенный (а) 
  • с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б). 

 Широкие функциональные возможности дифференциальных усилителей позволяют создание на их основе интегральных схем высококачественных усилителей, обладающих большими коэффициентами усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного сигнала, большим входным и малым выходным сопротивлениями, низким уровнем линейных и нелинейных искажений, с широкой полосой пропускания. Такие интегральные усилители получили название операционных усилителей (ОУ), поскольку с помощью линейных и нелинейных элементов ОС можно воспроизводить различные математические операции над входным сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д.). Кроме того, ОУ используют для усиления, детектирования, преобразования сигнала, а так же для генерирования сигналов.

ОУ имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий, один выход и биполярное питание. ОУ является дифференциальным устройством, способным реагировать только на дифференциальный сигнал:

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи Ku ОУ, называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается Ku ОУ0 и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч. Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены  ограничимся их перечислением:

  •  напряжение смещения нуля Uсм;
  • температурная чувствительность напряжения смещения нуля dUсм/dT;
  • ток смещения ΔIвх;
  • средний входной ток Iвх ср.

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным RвхОУ и выходным RвыхОУ сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток IвыхОУ и минимальное сопротивление нагрузки Rн min, а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной.

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=20lg·(ΔEUвх). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.

К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±E, ток потребления (покоя) IП и потребляемая мощность. Как правило, IП составляет десятые доли — десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая IП, единицы — десятки милливатт.

К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:

  • максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала Uвых max (обычно чуть меньше Е);
  • максимально допустимая мощность рассеивания;
  • рабочий диапазон температур;
  • максимальное напряжение питания;
  • максимальное входное дифференциальное напряжение и др.

К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления fT (F1), т.е. частота, на которой Ku ОУ=1. Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.