Общие сведения. Операционными усилителями (ОУ) называют широкий класс усилителей с гальва-ническими связями, имеющими большой коэффициент усиления и работающими в схемах с

Операционными усилителями (ОУ) называют широкий класс усилителей с гальва-ническими связями, имеющими большой коэффициент усиления и работающими в схемах с глубокой обратной связью.

ОУ были разработаны для выполнения математических операций суммирования, перемножения, логарифмирования, интегрирования и др. в аналоговых вычислительных машинах. ОУ в настоящее время изготавливают в интегральном исполнении, они являются универсальными устройствами, используемыми для построения схем генераторов, активных фильтров, схем телевизионных устройств, стабилизаторов напряжения и тока и большого числа других приборов.

Независимо от сложности принципиальной схемы почти все ОУ имеют структурную схему, показанную на рис.176. Операционные усилители, построенные по такой схеме, имеют два входа и один выход. По отношению к выходу один из входов является инвертирующим, другой — неинвертируюшим. Наличие в ОУ инвертирующегоинеинвертирующего входов значительно облегчает введение в него различных ОС и с их помощью реализацию различных функций.

Каскады усиления служат для обеспечения заданного коэффициента усиления. В современных ОУ коэффициент усиления составляет от единиц до десятков тысяч. Каскад сдвига уровня напряжения предназначен для исключения постоянной составляющей напряжения, которая возникает при непосредственной связи между каскадами

Рис.176. Структурная схема ОУ

Благодаря этому каскаду на выходе ОУ устанавливается нулевое напряжение при отсутствии сигналов на его входах.

Выходной (оконечный) каскад служит для получения малого выходного сопротивления ОУ в целях лучшего согласования ОУ с нагрузкой. Он выполняется по однотактной, а чаще всего - по двухтактной схеме. В некоторых ОУ в выходных каскадах предусмотрена схема защиты от перегрузок, с помощью которой ограничивается максимальный ток транзисторов выходного каскада.

Питание ОУ осуществляется от разнополярных источников, благодаря чему облегчается задача компенсации смещений нуля на выходе ОУ при отсутствии входных сигналов и исключается постоянная составляющая тока и напряжения в нагрузке.

Представляя ОУ идеальной моделью, считают, что KU→∞; Rвх→∞; Rвых→0. Кроме того, к основным признакам идеального ОУ следует также отнести бесконечно широкую полосу частот усиливаемых сигналов, начиная с частоты f=0, постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот, отсутствие дрейфа нуля, высокое подавление синфазных сигналов (отсутствие статических и шумовых ошибок). Основными характеристиками ОУ являются амплитудная и амплитудно-частотная (рис.177).

Большинство интегральных ОУ изготовляют по полупроводниковой технологии (серии KI40, KI53, К553, К740, К744 и др.) и лишь некоторые — по гибридной (серии 284, 287).

На рис.178 показана принципиальная схема ОУ типа К140УД1. На транзисторах VT1 и VT2 выполнен входной ДУ. Усилительный каскад на транзисторах VT4 и VT5 обеспечивает переход от симметричного выхода к несимметричному. В эмиттерные цепи первого и второго каскадов включены большие динамические нагрузки, которые образованы ГСТ, выполненными на диодно-транзисторных структурах VT3 и VT6. Ток Io ГСТ первого каскада задается нелинейным делителем R6R7 VT6R8, обладающим термостабилизируюшими свойствами.

Рис.177. Характеристики ОУ: а — амплитудная; б — АЧХ

Рис.178. Схема интегрального ОУ К140УД1

Усиленное напряжение с коллектора транзистора VT5 поступает на базу транзистора VT1, на котором выполнен каскад сдвига уровня, представляющий собой эмиттерный повторитель с ГСТ на транзисторе VT8.

Напряжение с динамической нагрузки каскада сдвига уровня (коллектора VT8) поступает на базу транзистора VT9, образующего с резисторами R11, R12 и R10 выходной эмиттерный повторитель

Чтобы компенсировать ослабление напряжения, усиливаемого каскадом сдвига уровня, в выходной эмиттерный повторитель введена цепь ПОС, позволя­ющая получить коэффициент передачи этого повторителя, больший единицы (примерно 1,5). Действие ПОС проявляется следующим образом.

Часть выходного напряжения, снимаемая с резистора R12, через резистор R10 подается в эмитгерную цепь транзистора VT8. По отношению к этому напряжению транзистор VT8 образует усилитель с ОБ. Так как усилитель с ОБ входной сигнал не инвертирует, то в его коллекторной цепи создается дополнительное напряжение, совпадающее по фазе с основным напряжением. Благодаря этому на базе транзистора VT9 и на его эмиттере создается напряжение, которое несколько превышает напряжение, снимаемое с коллектора VT5.

Диод VD, работающий при обратном смещении, используется в качестве конденсатора, обеспечивающего дополнительный фазовый сдвиг в целях повышения устойчивости ОУ.

Основные параметры микросхемы К14ОУД1Б:

напряжение источника питания ± 12,6 В;

коэффициент усиления 1350...8000;

напряжение смещения ± 7мВ;

выходное сопротивление 200 Ом;

входное сопротивление 100 кОм;

полоса пропускания 5 МГц.