Операционный усилитель (ОУ) как активный элемент аналоговой схемотехники. Модели ОУ

Для современных интегральных ОУ характерны две структурные схемы (модели): трехкаскадная и двухкаскадная.

Трехкаскадная модель ОУ обладает амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с тремя полюсами, причем каждый из каскадов имеет собственную постоянную времени в зависимости от крутизны каскада. Для коррекции такой характеристики необходимы две RC-цепи, подключаемые к УН и ФА, которые создают дополнительную задержку по фазе высокочастотных сигналов до 180° и обеспечивают тем самым устойчивую работу усилителя. Трехкаскадная модель иногда используется и в новых разработках, в основном при проектировании прецизионных (измерительных) ОУ.

Двухкаскадная модель ОУ была реализована в 70-х годах после разработки и внедрения на одной подложке высококачественных интегральных n-p-n- и p-n-p-биполярных транзисторов (БТ). В этой модели первый каскад выполняет функции входного ДУ и малосигнального УН. Каскад сдвига уровня в такой схеме ОУ не нужен, так как выходные сигналы первого каскада, построенного по специальной схеме, находятся практически под нулевым потенциалом. В остальном каскады ФА и ЭП не отличаются от одноименной трехкаскадной модели ОУ. На основе двухкаскадной модели, оказавшейся весьма благотворной, разработан ряд вариантов стандартных ОУ. Отличительной особенностью двухкаскадного ОУ является то, что для коррекции его АЧХ с целью обеспечения устойчивой работы при замкнутой петле ООС необходим всего один конденсатор небольшого номинала, который может выполняться на подложке ИС или подключаться снаружи.

9. Основные операционные схемы (ОС): инвертирующая, неинвертирующая и дифференциальная.

При инвертирующем включении (рис. 11.8, а) через элемент Z 1 течет ток Точно такой же ток течет и через Z2, т.к.

Т. о., а

При неинвертирующем включении (рис. 11.8, б) по цепи ОС течет ток

и откуда .

10. Основные операционные схемы (ОС): интегратор и дифференциатора.

Схема интегратора, показанная выше (слева), одновременно является активным фильтром нижних частот (ФНЧ). Справа приведена интегрирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФНЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ).
При подаче на вход импульса прямоугольной формы (рисунок справа) на выходе мы увидим импульс с передним и задним фронтами, "затянутые" по экспоненциальному закону:

Поменяв конденсатор и резистор местами, мы получим схему дифференциатора, показанную выше (слева). В тоже время это активный фильтр верхних частот (ФВЧ). Справа приведена дифференцирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФВЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ) с подъемом в области высоких частот.
На этот же рисунке мы можем видеть искажение прямоугольного сигнала. Дифференцирование данная схема осуществляет в соответствии с формулой:

11. Основные операционные схемы (ОС): логарифматор и антилогарифматор сигналов.

Чтобы создать логарифматор, включим в цепь обратной связи диод (или транзистор), как показана на рисунке а (слева).

Известно, что ВАХ диода носит экспоненциальный характер. Выразим из этой формулы напряжение, отбросив за малостью единицу.

Ток I обусловлен сопротивлением и напряжением на инвертирующем входе. Как мы видим, к сожалению, напряжение V зависит от температуры, поэтому необходимо применять меры для температурной стабилизации схемы. Учитывая, что входное напряжение на логифматоре может меняться на много порядков при незначительном изменении выходного напряжения, такие схемы могут применяться не только для собственно логарифмирования, но и для компрессии сигналов.
На рисунке б (справа) можно видеть схему реализующую обратную функцию - антилогарифм (экспоненту). Здесь диод включен во входную цепь, а резистор - в выходную. Имея в наличии блоки для логарифмирования и экспоненциального преобразования сигналов, мы можем сделать перемножить аналоговых сигналов.