1.1.   Устройство и внутренняя структура операционных усилителей

Операционный усилитель это электронный усилитель, предназначенный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления (K0), малыми входными токами (IВХ), большим входным сопротивлением (RВХ), малым выходным сопротивлением (RВЫХ), достаточно большой граничной частотой усиления (fГР), малым смещением нуля (UСМ). Под большими и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах можно считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Входной каскад операционного усилителя (рис. 1.1) выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение (UВЫХ) находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

UВЫХ = U1 – U2.

Чтобы обеспечить возможность работы как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, операционные усилители обычно питают от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжения (+UП, –UП) относительно нулевого провода («земли»). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ± 3 до ± 18 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Очень важным обстоятельством является то, что операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 1.2.

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи к входу усилителя. Если напряжение обратной связи (рис. 1.2) вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы (см. рис. 1.2) допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения (UВХ). В первый момент выходное напряжение (UВЫХ), а следовательно, и напряжение обратной связи (ΔUВЫХ) также равны нулю. При этом напряжение, приложенное к входу операционного усилителя, составит:

UД = UВХ.

Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления (KU), то выходное напряжение (UВЫХ) быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ним возрастет также напряжение обратной связи (ΔUВЫХ). Это приведет к уменьшению напряжения (UД), приложенного к входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины, и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ равно:

UВЫХ = KUUД = KU(UВХ – βUВЫХ).

Решив это уравнение относительно UВЫХ, получим:

KОС = UВЫХ/UВХ = KU/(1 + βKU)

При KU >>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью, составит:

KОС = 1/β

Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя.

В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

Таким образом, основное назначение операционного усилителя построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). Н