Краткие теоретические сведения

 

Общие характеристики

 

Операционные усилители были созданы для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах.

Первый ламповый операционный усилитель создан в 1942 году, транзисторный – в 1959 году, интегральный – μА702 (отечественный аналог 140УД1) – в 1963 году.

Несмотря на свою сложную внутреннюю структуру по размерам и цене операционный усилитель практически не отличается от обычного транзистора. Реализация же различных функциональных схем на операционных усилителях значительно проще, чем на отдельных дискретных транзисторах.

Функционально операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с очень высоким коэффициентом усиления. Входной каскад операционного усилителя выполнен по дифференциальной схеме.

Конструктивно операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, имеющая минимум пять выводов.

 

Условно-графическое обозначение приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Условно-графическое обозначение ОУ

 

 

С учетом фазовых соотношений входных и выходного сигналов вход 1 называется неинвертирующим входом (р-входом), а вход 2 – инвертирующим входом (n-входом).

Выводы + Е _п и – Е _п используются для подключения источников питания положительной и отрицательной полярности (или двухполярного источника питания). Общие выводы источников питания подключаются к общей шине схемы, относительно которой отсчитываются (измеряются) входные и выходное напряжение ОУ. Наличие двухполярного напряжения питания необходимо для формирования двухполярного выходного напряжения U _вых.

Для ОУ общего применения напряжение питания лежит в диапазоне  ±3 – ±18 В.

Кроме пяти основных выводов ОУ может иметь несколько дополнительных выводов для подключения внешних цепей, предназначенных для коррекции фазо-частотной характеристики ОУ или для коррекции напряжения сдвига ОУ.

Характеристики ОУ приближаются к характеристикам идеального ОУ, имеющего:

1. бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А = ¥);

2. бесконечное входное сопротивление (R _вх = 0,    I _вх ,_р = I _вх, _n = 0);

3. нулевое выходное сопротивление (R _вых = 0);

4. равенство нулю выходного напряжения при равных напряжениях на его входах (U _вых = 0  при   U _р = U_n);

5. бесконечную ширину полосы пропускания (D f = ¥, отсутствие задержки при прохождении сигнала через ОУ).

На практике ни один из этих параметров не достигается. Параметры реального ОУ равны параметрам идеального с той или иной степенью приближения.

 

 

Усилительные свойства ОУ

 

Выходное напряжение реального ОУ связано с напряжениями на его входах соотношением:

 

U _вых = А U _д + А _сс U _сс,                            (1)

 

где А – коэффициент усиления ОУ для дифференциального сигнала;

U _д = U _р – U_n – дифференциальный сигнал на входе ОУ;

U _сс = 1/2 (U _р + U_n) – синфазный сигнал на входе ОУ;

А _сс – коэффициент усиления синфазного входного сигнала.

 

Синфазный входной сигнал U _сс = 1/2 (U _р + U_n) представляет собой составляющую входного напряжения, воздействующую одновременно на оба входа ОУ. Коэффициент усиления синфазного сигнала ОУ определяется как:

 

  (при   U _сс = U _р = U_n).         (2)

 

В технической документации на ОУ обычно используют коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС):

 

.                       (3)

 

Тогда выражение (1) запишется в виде:

 

.         (4)

 

Для ОУ общего применения величина А ограничена значением 10⁵-10⁶ (или 100 – 120 дБ). Величина КОСС лежит в диапазоне 10⁴ – 10⁵ (или 80 – 100 дБ).

Для достаточно больших значений КОСС и малых величин синфазного входного сигнала U _сс  вторым слагаемым в (4) можно пренебречь:

 

U _вых » А(U _р – U_n) = А U _д.                        (5)

 

Таким образом, можно считать, что ОУ усиливает только разность входных сигналов.