ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Операционный усилитель — это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характерис­тикам приближающийся к воображаемому «идеальному усили­телю». С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: 1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А → ∞); 2) бесконечное полное входное сопро­тивление (Z_вх → ∞); 3) нулевое полное выходное сопротивление (Z_вых → 0); 4) равенство нулю выходного напряжения (U_вых = 0) при равных напряжениях на входах U₁ = U₂); 5) беско­нечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель). На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно

приблизиться с достаточной для многих приложе­ний точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 1000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.

Первый каскад операционного усилителя — это дифферен­циальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высо­кий коэффициент усиления но отношению к разности входных сигналов (т. е. U₂—U₁ на рис. 3.3.1 и 3.3.2) и низкий коэффи­циент усиления по отношению к одинаковым сигналам, подан­ным на входы одновременно (синфазные сигналы).

Кроме того, дифференциальный усилитель имеет высокое полное сопротивление по отношению к любым поданным на его входы сигналам. Входной каскад операционного усилителя яв­ляется наиболее ответственным, поскольку именно им опреде­ляется величина полного входного сопротивления и в нем минимизируются чувствительность к синфазным сигналам и напря­жение сдвига.

За входным каскадом, как показано на рис. 3.3.3, следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают умень­шение напряжения покоя на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току. После­довательное усиление по напряжению необходимо для получе­ния высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току — для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада без того, чтобы нагрузить входной каскад. В промежуточных каскадах могут быть использованы как дифференциальные, так и однополюсные схемы.

Оконечный каскад должен обеспечивать низкое полное вы­ходное сопротивление операционного усилителя и ток, доста­точный для питания ожидаемой нагрузки. Кроме того, этот каскад должен иметь достаточно высокое полное входное сопро­тивление, чтобы не нагружать последний из промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.

На рис. 3.3.4 показана упрощенная схема операционного уси­лителя. Прежде всего следует сделать несколько замечаний относительно его входной цепи. Сопротивления в цепях эмиттеров транзисторов VТ₁ и VТ₂ повышают полное входное сопротивле­ние входного каскада. Токи коллекторов во входном каскаде обычно невелики, так что диоды эмиттер — база входных тран­зисторов имеют высокое сопротивление переменному току, и схема может действовать при малых входных токах. Проиг­рыш в коэффициенте усиления первого каскада, который при этом получается, впоследствии должен быть восполнен в про­межуточных каскадах. Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам ток эмиттера первого каскада задается с помощью источника постоянного тока. Поскольку источник постоянного тока имеет высокое внутреннее сопротивление r_вых, коэффициент усиления дифференциального усилителя по отно­шению к синфазным сигналам A_сс получается очень низким.

Чтобы уменьшить входной ток, необходимый для возбуждения дифференциального усилителя, и увеличить его входное сопро­тивление, в качестве транзисторов первого каскада Т₁ и Т₂ можно использовать пары Дарлингтона или полевые транзис­торы. Использование полевых транзисторов (с p-n-переходом или МОП-транзисторов) позволяет получить очень высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители на поле­вых транзисторах имеют более высокое входное напряжение сдвига U_сдв, которое сильнее зависит от температуры, чем у усилителей на биполярных транзисторах, однако эти недо­статки могут быть сведены к минимуму с помощью различных цепей обратной связи внутри усилителя. Существуют инте­гральные схемы (ИС) операционных усилителей, в которых для повышения полного входного сопротивления на входе исполь­зуются полевые транзисторы, а в остальных цепях усилителя — биполярные. Использование в качестве Т₁ и Т₂ пар Дарлингтона также приводит к повышению U_сдв и усилению зависимости его от температуры.

Если коэффициент усиления по напряжению равен 10 (А₁ = 10) для первого каскада, 100 (А₂ = 100) для второго и 20 (А₃ = 20) для третьего каскада, то общий коэффициент усиления А является произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов:

А = A₁A₂A₃ = 10∙100·20 = 20000,

т. е. довольно большой величиной.