Операционный усилитель (ОУ). Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он успешно применяется как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т. п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и т. д.). На ранних этапах развития вычислительной техники ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций с сигналами. Отсюда и появилось его наименование — операционный (решающий) усилитель.

 

Основные параметры ОУ должны удовлетворять ряду требований как в отношении электрических характеристик, так и его конструктивного выполнения.

Требования к электрическим характеристикам ОУ связаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент усиления по напряжению; большое входное и малое выходное сопротивления; линейность передаточной характеристики; высокую верхнюю граничную частоту пропускания.

Требования к конструктивному исполнению ОУ сводятся к следующим особенностям его конструкции: наличию двух автономных входов (1) и (2) с общей точкой, соединенной с массой усилителя; выполнению одного из входов (1) с неинвертирующим (совпадение по фазе), а другого (2) с инвертирующим (в противофазе) включением по отношению к выходному сигналу.

Заметим, что в условном обозначении ОУ (рис. 11.15, а) показаны лишь шесть основных зажимов. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля, балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.

 

Рис. 11.15. Условное обозначение операционного усилителя (а) и его функциональная схема (б)

 

Рис. 11.16. Схема дифференциального усилителя с ООС, реализуемой посредством резистора

 

Основными показателями качества работы ОУ являются: коэффициент усиления по напряжению KU, достигающий у лучших образцов значения до 106; входное сопротивление Rвх (до 109 Ом); верхняя граничная частота, достигающая у лучших образцов даже значения 50 МГц.

Благодаря высоким характеристикам и широкой доступности, обеспеченной серийным выпуском, ОУ нашли исключительно широкое применение в электронике и системах автоматики. На основе ОУ получены высококачественные линейные усилители, источники опорных напряжения и тока, генераторы импульсов, схемы сравнения (компараторы) и т. п.

Основу ОУ составляет дифференциальный усилитель, воздействуя на каналы прямой и обратной связи которого добиваются реализации задач, стоящих перед ОУ. Типовая функциональная схема ОУ приведена на рис. 11.15, б.

Как видно, ОУ можно представить в общем виде состоящим из трех каскадов: входного дифференциального усилителя (ДУ), имеющего симметричный вход и обеспечивающего высокую стабильность, малое напряжение шумов и т. п.; промежуточного усилителя напряжения (УН), выполненного, как правило, также в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления; выходного эмиттерного повторителя (ЭП), выполненного по двухтактной схеме и обеспечивающего малое выходное сопротивление ОУ.

Схемы разделения сигналов дифференциального усилителя (рис. 11.15) позволяют проводить анализ процессов в ОУ путем раздельного учета каждой из составляющих входного и выходного сигналов.

В операционных усилителях для связи дифференциального, промежуточного и, как правило, выходного усилителей используют несимметричный выход (например, только коллекторный зажим б транзистора VT2 на рис. 11.16, б). Однако при этом ухудшается работа всего ОУ, так как стабилизирующие свойства дифференциального каскада проявляются только относительно симметричного входа (между точками а и б). Для решения указанной проблемы в дифференциальном усилителе применяют стабилизирующую ООС по токам эмиттеров обоих транзисторов, реализуемую резистором RЭ (рис. 11.16).

Для количественной оценки стабилизирующих свойств дифференциального усилителя служит коэффициент ослабления синфазной составляющей, численно равный

 

где (KU)пф и (KU)сф — коэффициенты усиления каскада по напряжению для противофазного и синфазного сигналов соответственно. Коэффициент Kос с удобно представлять в децибелах:

 

Как видно, дифференциальные усилители с лучшими стабилизирующими свойствами (меньшим дрейфом нуля) имеют большие значения Kос.с. С увеличением сопротивления резистора RЭ (рис. 11.16) действие ООС усиливается, а следовательно, уменьшается значение (KU)сф при неизменной величине (KU)пф. В результате коэффициент Kос с возрастает.

Таким образом, усиление действия ООС, ведущее к улучшению стабилизирующих свойств дифференциального усилителя, оценивают более высоким значением коэффициента ослабления синфазной составляющей Kос с.

Схемы стабилизации и повышения входного сопротивления ОУ. Как указывалось выше, улучшение стабильности работы дифференциального усилителя обеспечивается увеличением сопротивления резистора RЭ в схеме ООС (см. рис. 11.16).

Однако это вызывает пропорциональное снижение эмиттерных токов транзисторов VT1 и VТ2, что уменьшает максимальное выходное напряжение усилителя. Поэтому в схеме дифференциального усилителя вместо резистора RЭ применяют источник стабильного тока, имеющий бесконечно большое дифференциальное сопротивление. Кроме того, для стабилизации напряжения питания каскада используют специальный стабилизатор напряжения. Практическая схема дифференциального усилителя со стабилизаторами тока и напряжения приведена на рис. 11.17. Как видно, источник стабильного тока выполнен на транзисторе VT3 с диодным смещением (посредством диода VD), способствующим термостабилизации транзистора. Стабилизатор напряжения включает транзистор VT4, с помощью которого стабилизируется входное напряжение каскада (мостовой схемы).

 

Рис. 11.17. Схема дифференциального каскада со стабилизаторами тока и напряжения

 

Повышение входного сопротивления дифференциального усилителя достигается снижением базовых токов покоя транзисторов VT1 и VT2 (см. рис. 11.17) до ничтожно малых величин (единицы наноампер). Однако это ухудшает работу дифференциального усилителя из-за уменьшения его динамического диапазона, под которым понимают выраженное в децибелах отношение максимального сигнала к минимальному. Для предотвращения этого фактора в качестве приборов VT1 и VT2 применяют супер-бета транзисторы, отличающиеся чрезвычайно большими коэффициентами усиления по току (тысячи единиц) за счет использования в них предельно тонкой базы. Однако применение таких транзисторов заметно усложняет задачу стабилизации дифференциального усилителя. Поэтому в ряде случаев повышение входного сопротивления ОУ достигается использованием в его входном канале полевых транзисторов.