Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) был создан для выполнения математичес-ких операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ К2W был разработан в 1942 году Л. Джули (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и доро-гие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее и сфера их применения расширилась.

Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р. Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем. Первый интегральный ОУ μА702 (отечест-венный аналог – 140УД1), имевший рыночный успех, был разработан Робертом Видларом в 1963 году. Этот усилитель имел низкий коэффициент усиления, большие входные токи и несимметричный выход (разное выходное сопротивле-ние для положительной и отрицательной полуволн выходного сигнала). Через два года Р. Видлар разработал усилитель μА709, трехкаскадный с большим ко-эффициентом усиления и симметричным выходом, но сложной схемой коррек-ции частотной характеристики (отечественный аналог – 153УД1). Усилитель μА709 нашел широкое распространение в массовой аналоговой аппаратуре об-работки данных. Ежегодный мировой выпуск этой ИМС оценивался в 1970 г. на уровне 20…30 млн. шт. Решениями, примененными в этом ОУ, была в значи-тельной мере подготовлена схемотехническая база для следующих поколений операционных усилителей.

В 1967 – 1968 годах Р. Видлар разработал двухкаскадный ОУ LМ101 и его усовершенствованный вариант LМ101А (отечественные аналоги соответс-твенно153УД2 и 153УД6). Эти усилители явились настоящим прорывом в ана-логовой интегральной схемотехнике. Для них характерны простая схема час-тотной коррекции (всего один конденсатор), высокий коэффициент усиления (до 150000) и малые входные токи (особенно у LМ101А). Усилители LМ101 и LМ101А в отличие от μА709 не требовали внешних цепей защиты входа и вы-хода, что весьма упрощало их применение.

В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень де-шевы, что способствует их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, диференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения и входных токов.

По размерам и цене ОУ общего применения практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей внешних обратных связей и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация раз-личных функциональных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на дискретных транзисторах. Поэтому операционные усилители стали сегодня основой элементной базы (своего рода «кирпичиками») во многих областях аналоговой схемотехники [2 - 5, 12, 15 – 19].

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует ис-пользовать двухполярное напряжение питания. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые подключаются к соответству-ющим внешним выводам ОУ. Чаще всего интегральные операционные усилите-ли рассчитаны на напряжение питания ± 15 В, хотя существуют немало моде-лей, которые питаются от источников как существенно большего, так и заметно меньшего напряжения. Рассматривая схемы на ОУ, выводы питания, как прави-ло, не указываются.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью (ООС), свойства ко-торой и определяют свойства схемы с ОУ. Коэффициент усиления схемы с ООС в основном определяется свойствами внешней цепи обратной связи и практически не 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 RС-цепь, то образуется ак-тивный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и тран-зисторов позволяет реализовать с высокой точностью нелинейные преобразова-ния сигналов.

Операционные усилители являются одним из широко используемых элементов схемотехнических построений электронных цепей генерирования, усиления и частотной фильтрации сигналов, выполнения над ними практи-чески любых математических операций, создания устройств согласования трактов с различающимися входными и выходными сопротивлениями и ряда других функциональных звеньев линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.

В современной электронике под операционными усилителями понима-ют особый класс микроэлектронных устройств, обладающих высоким (поряд-ка 10⁵…10⁷) собственным усилением, в том числе и на постоянном токе, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным. По свое-му схемному построению ОУ является усилителем постоянного тока, выпол-ненным по дифференциальной схеме, так что в целом ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного ана-лиза электронных схем на основе ОУ. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных автоматических устройств и будет способст-вовать получению достоверных результатов их машинного анализа [16].

Список литературы

1. Ким Д.П. Теория автоматического управления. В 2-х т. Т.2. Многомер-ные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 440 с.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управ-ления. – СПб.: Изд-во «Профессия», 2004. – 752 с. - (Серия: Специалист).

3. Теория автоматического управления: учеб. пособие / Под ред. В.И. Ла-чина. – Ростов н /Д: Феникс, 2007. - 469 с. – (Высшее образование).

4. Гайдук А.Р., Беляев В.Е., Пьявченко Т.А. Теория автоматического уп-равления в примерах и задачах с решениями в МАТLАВ: Учебное пособие. - СПб.: Издательство «Лань», 2011. – 464 с. – (Учебники для вузов).

5. Шишмарев В.Ю. Основы автоматического управления: учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 352 с.

6. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов / Под ред. В.Б. Яковлева. – М.: Высшая школа, 2009. – 567 с.

7. Гальперин М.В. Автоматическое управление: учебник. – М.: ИД «ФО-РУМ»: ИНФРА-М, 2007. – 224 с. – (Профессиональное образование).

8. Малафеев С.И., Малафеева А.А. Основы автоматики и системы авто-матического управления: учебник для студентов высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 384 с.

9. Певзнер Л.Д. Практикум по теории автоматического управления: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2006. – 590 с.

10. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. – СПб.: БХВ-Пе-тербург, 2007. – 560 с.

11. Петрова А.М. Автоматическое управление: учебное пособие. – М.: ФОРУМ, 2010. – 240 с. - (Профессиональное образование).

12. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2005. – 510 с.

13. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных си-стемах. Учебное пособие / Под общей редакцией Б.Н. Тихонова. – М.: Горячая линия-Телеком, 2012. – 360 с.

14. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов. – М.: ДМК Пресс, 2009. – 384 с.

15. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых элек-тронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005. - 528 с.

16. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2009. – 703 с.

17. Электроника и микропроцессорная техника: учебник / Под ред. Г.Г. Раннева. – М.: - Издательский центр «Академия», 2012. – 368 с.

18. Павлов В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для студ. вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 288 с.

19. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. – М.: Мир, БИНОМ, 2010. – 704 с.

Сводный план 2014 г., поз. 107

Борис Алексеевич Чернов

НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
для студентов специальности 5В070200

Редактор Л.Т. Сластихина
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать ________
Формат 60х84 1/16
Тираж 100 экз.
Бумага типографская №1
Объем 2,2 уч.-изд. л.
Заказ _____ Цена 1100 тг.

Копировально-множительное бюро
некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, Байтурсынова, 126