Операционные усилители (ОУ)

ОУ – это усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, большой коэффициент усиления, и по своим усилительным характеристикам приближающийся к идеальному усилителю, и используемые для выполнения различных операций с электрическими сигналами, например: усиление, масштабирование, суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.

Структура ОУ

ОУ – это усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами, основу которого составляет ДУ.

ОУ имеет 2 входа, вход «-» - инвертирующий (И_вх) – это такой вход, сигнал на котором находится в противофазе с выходным; вход «+» - не инвертирующий вход (НИ_вх) – на котором сигнал находится в фазе с выходным. Как правило, ОУ имеет несимметричный выход (одиночный) двуполярное питание и строится по 3-х каскадной или 2-х каскадной структуре. Современные ОУ – 2-х каскадная схема.

Основные параметры по постоянному току обеспечивает ДУ; основное усиление по напряжению – в 2-х каскадной структуре. Для обеспечения работы на низкоомную нагрузку на выходе ОУ используют усилитель мощности (усилитель тока). Как правило, это каскад ОК.

Обозначения и эквивалентная схема ОУ

NC, NV – выводы для подключения внешних элементов

Рекомендуемые материалы

NC ® C

NR ® R

R_{вх д} – дифференциальное входное сопротивление (входное сопротивление между входами);

R_{вх с} – синфазное входное сопротивление (входное сопротивление между закороченными входами и общей шиной);

К_д – дифференциальный коэффициент усиления;

R_вых – выходное сопротивление;

К_дU_{вх д} – управляемый источник напряжения;

R_{вх с} >> R_{вх д} (как минимум в 10 раз)

Поэтому при инженерных расчетах обычно R_{вх с} не учитывается и упрощается схема ОУ:

В прецизионных схемах, когда необходима точность в десятые, сотые доли %, R_{вх с} необходимо учитывать.

Основные параметры и характеристики ОУ

1. К – коэффициент усиления дифференциального напряжения; К - 10³¸10⁶

2. R_{вх д} – дифференциальное входное сопротивление

3. R_{вх с} – синфазное входное сопротивление

4. К_с – коэффициент усиления синфазного сигнала

5. К_осс – коэффициент ослабления синфазного сигнала; К_осс = К_д/К_с 40 дб¸120 дб

6. I_{вх см} – входной ток смещения (ток управления); ~ 1 нА¸10 мкА для БТ; ~ 10 пА для ПТ

7. Разница (DI_{вх см}) входных токов, обусловлена не идеальностью ДУ

8. U_см – напряжение смещения – это напряжение, которое необходимо приложить ко входу, чтобы U_вых = 0; ~ 1 мкВ¸50мВ

9. ТКU_см – температурный коэффициент или дрейф напряжения смещения

10. ТКI_см – дрейф тока смещения

11. R_вых – выходное сопротивление (1¸100 ОМ)

12. U^см_др – дрейф напряжения смещения [мкВ/час] 1¸1000

13. Df – ширина полосы пропускания при малом сигнале

14. Df_pmax – ширина полосы пропускания по максимальной мощности

15. f_к1 – частота единичного усиления, на которой коэффициент усиления = 1

16. t_уст – время установления U_вых при скачке U_вх

17. V_u – В/мксек – максимальная скорость нарастания U_вых

18. ±DU_{вх д}, ±DU_{вх с} – диапазон входных напряжений

19. I^max_н – максимальный ток нагрузки

20. R^min_н – минимальное сопротивление нагрузки, на котором ещё выделяется полное выходное напряжение

21. ±DU_вых^max – диапазон выходного напряжения

22. К_DЕ Þ DU_{вх см}/DЕ_пит – коэффициент влияния нестабильности источника питания

23. Ток потребления по источникам (±) - I_потр

24. Dt⁰С – рабочий температурный диапазон

25. К_ни – коэффициент нелинейных искажений

26. U_вх^ш Þ [mV/Hz^1/2] – эквивалентное напряжение шума, приведенное ко входу

27. I_вх^ш Þ [nA/Hz^1/2] – ток шума, приведенный ко входу

28. ±(E_min±E_max) – диапазон напряжений питания

1-5 – характеризуют усилительные свойства ОУ

6-12 – характеризуют точностные свойства ОУ на постоянном токе

13-17 – параметры, характеризующие быстродействие ОУ

18-25,28 – характеризуют эксплуатационные свойства ОУ

26,27 – шумовые свойства ОУ.

Основные схемы включения ОУ

Свойства и характеристики усилителя

q K_u Þ ¥ (~10⁵ - реальный) – идеальный усилитель имеет бесконечно большой коэффициент усиления

q R_вх Þ ¥ (~10⁶)

q DU_вх Þ 0 (0,1¸10мВ) – усиливает сколь угодно малый входной сигнал

q I_вх (DI_вх) Þ 0 (мА, мкА) – не потребляет входного тока

q U_вых Þ ¥ (±15В)

q I_вых Þ ¥ (1¸100мА)

q U_см Þ 0 (мВ, мкВ) – не имеет напряжения смещения

q U_др Þ 0 (мкВ, мВ) – не имеет дрейфа

q Df Þ ¥ (10¸100МГц)

с 1 по 4 пункт – основные характеристики

DU_вх = 15В/10⁵ = 150*10^-6 = 150мкВ

Инвертирующий усилитель на ОУ

При работе ОУ в линейном режиме схемы с ОУ является также линейными и для них справедливы все правила и законы расчета линейных электрических схем как постоянного, так и переменного тока.

K_u = U_вых/U_вх; I₁ + I₂ = I_вх

I₁ = (U_вх – U_вхи)/R₁; I₂ = (U_вых - U_вхи)/R₂

Т.к. ОУ обладает большим усилением и имеет высокое R_вх, т. е. приближается к идеальному усилителю, то

I_вх Þ 0; U_вхи = U_вхд Þ 0

В линейном режиме работы ОУ поддерживается на входе дифференциальное напряжение = 0.

При заземленном НИ входе на инвертирующем входе поддерживается потенциал виртуальной землей.

I₁ = -I₂; I₁ = U_вх/R₁; I₂ = U_вых/R₂

U_вых/ U_вх = - R₂/ R₁ = K_u (1)

Инвертирующий усилитель имеет коэффициент усиления, равный R₂/R₁, это справедливо, если K ® ¥, если K – конечное, то

|K_u| = K₀/(1 + bK₀) - точная формула,

1 Политика как искусство управления государством - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

 где b = R₁/R₂

Усилитель инвертирующий, если вход сигнал подается на инвертирующий вход. По отношению к инвертирующему входу резистор R₂ обеспечивает || - ую ООС по напряжению.

R_вх = R₁ + R_вхоу/(1 + bK) @ R₁

R_вых = R_выхоу/(1 + bK)

В инвертирующем усилителе входное сопротивление определяется величиной резистора R₁, а выходное сопротивление при глубокой ООС ® 0.

При К > 10⁴ погрешность dК не превышает 1 % Þ можно пользоваться (1)