2.9. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Развитие микросхемотехники изменяет подход к проектированию полупроводниковых усилительных устройств. Раньше при создании усилителей на дискретных компонентах разработчики стремились найти наиболее простое решение устройств, в первую очередь стремились уменьшить число активных компонентов схемы (диодов, транзисторов); такой подход обеспечивал снижение стоимости аппаратуры и ее высокую надежность. Ныне при разработке аппаратуры на ИМС разработчик стремится использовать готовые ИМС массового выпуска; именно такие ИМС обладают наименьшей стоимостью, их схемные решения тщательно проработаны и обеспечивают высокие показатели работы аппаратуры. Поэтому предприятия, выпускающие ИМС, стремятся к выпуску наиболее универсальных узлов, которые применялись бы в самых разнообразных устройствах, это обеспечивает увеличение выпуска данного типа ИМС и снижение их стоимости. Поэтому ИМС создаются не на основе наиболее простого решения, а наиболее совершенного, обладающего универсальными достоинствами. Применение таких ИМС оправдано и в тех случаях, если ряд их параметров в конкретном устройстве будет недоиспользован.

Наиболее распространенной усилительной ИМС является операционный усилитель (ОУ), в котором сосредоточены основные достоинства усилительных схем. Идеальный операционный усилитель имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению , большое входное сопротивление , малое выходное сопротивление . ОУ является усилителем постоянного тока, т. е. усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. При этом дрейф нуля ОУ очень мал. ОУ имеет дифференциальный вход ивык : при подаче сигнала на прямой вход выходное напряжение при подаче ивхг на инвертирующий вход .

На рис. 2.16, а приведено обозначение ОУ на схемах. На рис. показана структурная схема ОУ. Первый каскад выполняется по схеме симметричного дифференциального каскада (ДК) (например, по схеме рис. 2.12, а), в которой максимально компенсируется дрейф нуля.

В качестве второго каскада часто используется ДК с несимметричным выходом (например, схема рис. ). Третий выходной каскад выполняется по схеме эмиттерного повторителя (каскад с ОК), что обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ.

Рис. 2.16. Схемное обозначение (а) и упрошенная структурная схема ОУ (б)

Современные ОУ используют схемы каскадов, которые гораздо сложнее рассмотренных, дополнительные элементы обеспечивают повышение входного сопротивления, дополнительную стабилизацию режима покоя, повышение коэффициента усиления и т. д. Схемы ОУ могут насчитывать несколько десятков транзисторов.

Свойства реальных ОУ в большей или меньшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Система параметров, приводимая в справочниках, позволяет оценить эти свойства и определить режимы, в которых может использоваться ИМС. В табл. 2.2 приведены параметры некоторых ОУ.

Таблица 2.2. Параметры операционных усилителей

ЭДС питания и потребляемый от источника питания ток позволяют выбрать источник двухполярного питания по напряжению и по мощности. Параметры и характеризуют усилительные свойства ИМС. Параметр (входной ток или ток утечки) характеризует ток покоя входного электрода ИМС. Приводится коэффициент ослабления синфазного сигнала (см. § 2.6). Нередко приведены предельные напряжения на входах и между входами, при отсутствии этих параметров в паспортных данных их принимают равными . В реальных ОУ режиму соответствует ненулевое напряжение , называемое напряжением смещения нуля (см. передаточную характеристику ОУ, рис. 2.17). Предельное на пряжение на выходе ОУ достигается при . Это напряжение обозначим . В справочнике приводится минимально возможное предельное напряжение , его значение заметно меньше напряжения Увыхтах в большинстве образцов ИМС данного типа.

Обобщенная схема замещения ОУ по переменной состав ляющей соответствует рис. при подаче на вход напряжения

Рис. 2.17. Передаточная характеристика ОУ

Рис. 2.18. Неинвертирующий ОУ с ООС (а) и его передаточная характеристика (б)

Изображение источников питания , к которым подключают соответствующие выводы ИМС, на схемах нередко опускают.