F Входы идеального ОУ тока не потребляют. (реальный ОУ потребляет достаточно малый входной ток – до 0,08 мкА)

ВВЕДЕНИЕ

Цель лабораторных работ – расчет и экспериментальные исследования типовых схем, основу которых составляет интегральный операционный усилитель.

Рис. 1

Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая интегральная микросхема (ИМС) с очень большим собственным коэффициентом усиления по напряжению (10³... 10⁶). Условное обозначение ОУ показано на рис. 1 (и_и – инвертирующий вход, и_н – неинвертирующий вход). Идеальная передаточная характеристика ОУ представляет собой зависимость выходного напряжения (U_вых) от разности напряжений на его входах:

где А – собственный коэффициент усиления ОУ (А = 10³ ... 10⁶);

u_вх = (и_н – и_и) – разность напряжений на входах ОУ – дифференциальный (разностный сигнал).

Рис. 2

Идеальный ОУ чувствителен только к разности входных напряжений и_вх и нечувствителен к любой составляющей входных сигналов, общей для обоих входов. Такая составляющая называется синфазным сигналом и определяется как (и_н + и_и)/2.

Передаточная характеристика идеального ОУ показана на рис. 2. Линейная область характеристики определяется уравнением U_вых = Aи_вх ограничена с обеих сторон областями насыщения. Например, при собственном коэффициенте усиления А = 100000 и напряжении питания Е_п = ±15 В, максимальное входное напряжение, соответствующее максимальному выходному напряжению U_вых_max = Е_п – 2 = 13 В, будет: и_вх = 13/10⁵ = 0,15 мВ. При меньших напряжениях питания и большем собственном коэффициенте усиления ОУ ширина линейной зоны (рис. 2) сравнима с уровнем шумов. Поэтому без дополнительных цепей ОУ в качестве линейного усилителя не используется. В линейном режиме необходима отрицательная обратная связь (ООС), когда часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход ОУ.

Для идеального ОУ существуют два основных правила:

F ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между его входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Отсюда следует, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

F Входы идеального ОУ тока не потребляют. (реальный ОУ потребляет достаточно малый входной ток – до 0,08 мкА).

Первое правило вовсе не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно и несовместимо со вторым правилом. В действительности ОУ "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между его входами становится равной нулю, если это возможно.

Выходное и входное напряжения ОУ снимаются относительно средней точки ("земли") источников питания (рис. 1), что позволяет подавать на входы и получать на выходе ОУ напряжения как выше, так и ниже нулевого потенциала ("земли") При этом максимальное выходное напряжение ниже питающего примерно на (1 ... 2) В, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения еще меньше.

Рис. 3

Упрощенная типовая двухкаскадного схема ОУ показана на рис. 3.

Входной каскад ОУ выполнен по схеме дифференциального усилителя на р-п-р транзисторах VT1 и VT2, нагрузкой которого является токовое зеркало на п-р-п транзисторах VT3 и VT4. Для выходного тока каскада справедливо соотношение

Вследствие того, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров VT1 и VT2 также представляет собой токовое зеркало (на упрощенной схеме вторая половина не показана). Второй каскад выполнен на транзисторе VT6, включенным по схеме с ОЭ. Его нагрузкой является источник тока на транзисторе VT10. Для повышения входного сопротивления каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5. Частотная характеристика ОУ обеспечивается внутренним корректирующим конденсатором С_к.

Выходной каскад ОУ выполнен в виде эмиттерного повторителя на комплементарных транзисторах VT7 и VT8. С помощью двух последователь но включенных диодов обеспечивается начальный ток этих транзисторов, что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения.