9.9. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Мы рассмотрим одну из самых распространенных микросхем — микросхему операционного усилителя.

Такие усилители применяли раньше в вычислительных машинах для выполнения математических операций. Теперь операционные усилители используют совсем для других целей.

На их основе конструируют генераторы и усилители самых разнообразных сигналов, стабилизаторы, фильтры и т. п.

Несмотря на это старое название осталось и прочно вошло в практику.

Одна из причин большой популярности операционных усилителей заключена в интегральном исполнении. Готовый усилитель в виде микросхемы представляет собой пластинку размерами 18X6 мм и толщиной 3 мм.

Несмотря на малые размеры операционный усилитель представляет собой сложное устройство, с большим количеством! элементов.

На рис. 9.23, а изображена принципиальная схема операционного усилителя в интегральном исполнении.

Рис. 9.23. Операционный усилитель: а — принципиальная схема; б — условное обозначение

Транзисторы в схеме не обведены кружками. Этим подчеркивается, что они помещены в общий корпус микросхемы.

Обычно используют трехкаскадные операционные усилители.

Первый усилитель является дифференциальным. Он представляет собой мостовую схему, два плеча которой образованы транзисторами , а два других — резисторами . Выходное напряжение первого каскада снимается с коллекторов транзисторов (на рис. 9.23, а — это напряжение между точками а и b).

В схеме используют источник стабильного тока, собранный на транзисторе ТЗ. При любом изменении сопротивления транзисторов сумма токов в плечах моста остается постоянной.

Операционный усилитель имеет два входных зажима. Если на обоих входах напряжение отсутствует, мост дифференциального усилителя находится в равновесии и выходное напряжение между точками а и b равно нулю.

Входное напряжение можно подавать на каждый вход операционного усилителя или сразу на оба. В каждом случае сопротивление транзисторов изменяется и мост выходит из равновесия.

Если увеличивать напряжение, поданное на вход 1, то выходное напряжение на коллекторе транзистора будет уменьшаться, а напряжение на коллекторе транзистора возрастет на такую же величину.

Таким образом, общее приращение выходного напряжения будет в 2 раза больше.

При увеличении напряжения на входе 2 транзисторы меняются ролями. Напряжение на коллекторе транзистора уменьшается, на транзисторе — возрастает. Запомним это обстоятельство, но обсудим его несколько позже.

Дифференциальный усилитель отличается высокой стабильностью. Его работа не зависит от изменения напряжения или температуры.

Однако в начальный момент мост должен быть сбалансирован. Для этого параметры резисторов и транзисторов должны быть строго одинаковыми. Если это не так, то приходится применять внешние схемы балансировки.

Входное сопротивление операционного усилителя должно быть как можно больше. Оно определяется величиной сопротивления -переходов в цепи база—эмиттер транзисторов Поскольку это сопротивление нелинейно, входной дифференциальный усилитель работает при малых токах. Этим удается получить входное сопротивление несколько сотен килоом.

Однако коэффициент усиления при этом уменьшается.

Выходное напряжение первого усилителя требует дополнительного усиления. Для этого используют второй усилительный каскад (на транзисторах ), также выполненный по дифференциальной схеме.

Третий, последний усилитель (на транзисторе T9) — это эмиттерный повторитель. Мы не будем подробно рассматривать такой усилитель. Скажем только о его назначении. Для того чтобы согласовать операционный усилитель с низкоомной нагрузкой, его выходное сопротивление должно быть как можно меньше. Эмиттерный повторитель практически не изменяет входное напряжение. Коэффициент усиления его близок к единице. Но зато у него очень большое входное сопротивление и очень маленькое выходное. Оно составляет всего несколько десятков ом.

На рис. 9.23, а мы видим еще несколько транзисторов. Они выполняют в схеме вспомогательные функции.

Заметим только, что транзистор работает в режиме диода. Коллектор и база этого прибора соединены накоротко, и в работе участвует только один -переход.

Такое исполнение характерно для интегральной технологии.

Теперь, когда мы поговорили о внутренней структуре операционного усилителя, вновь вернемся к его свойствам.

Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Мы видели, что влияние входных сигналов на транзисторы противоположно. Это приводит к тому, что выходное напряжение повторяет изменение сигналов на одном из входов и изменяется противоположно изменению сигналов на втором входе.

Первый вход называют неинвертирующим, а второй — инвертирующим.

Общий коэффициент усиления операционного усилителя достигает 100 тысяч. Однако в реальных устройствах операционный усилитель, как правило, охватывается обратной связью, которая изменяет коэффициент усиления.

На рис. 9.23, б представлено условное изображение операционного усилителя на электрических схемах. Входы усилителя обозначены знаками «+» и «-». Это неинвертирующий и инвертирующий входы.