Операционным (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления с двумя высокоомными входами и одним низкоомным выходом, предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Первые ОУ появились до разработки интегральных микросхем. Они были выполнены на электронных лампах и впервые использовались в узлах аналоговых ЭВМ, реализующих различные математические операции: суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время на основе ОУ выполняют более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры.

Рисунок 2.15

Согласно ГОСТ 2.759—82 для ОУ введено графическое обозначение, показанное на рис. 2.15, а. Ранее в технической литературе широко использовались обозначение, приведенное на рис. 2.15, б.

Основными характеристиками ОУ являются амплитудная (АХ) (рис. 2.16, а) и амплитудно-частотная (АЧХ) (рис. 2.16, б).

Рисунок 2.16

При подаче сигнала на неинвертирующий вход АХ имеет вид кривой АВ (рис. 2.16, а), а при подаче сигнала на инвертирующий вход — вид кривой CD. Линейный участок АХ сверху и снизу практически ограничен напряжениями источников питания положительной и отрицательной полярностей. Коэффициент усиления постоянного тока и очень низких частот современных ОУ достигает 10⁴ … 10⁶, а частота единичного усиления — 15*10⁶ Гц. Наличие у ОУ инвертирующего входа позволяет охватывать его отрицательной обратной связью (ООС) и реализовывать требуемые АХ и АЧХ (например, показанные на рис. 2.16 штриховыми линиями).

Важным достоинством функциональных узлов на основе ОУ с глубокой ООС является возможность обеспечения высоких технических показателей, практически не зависящих от параметров элементов, из которых состоит ОУ. В принципе, ОУ можно рассматривать как перспективный тип активного прибора универсального назначения, который с успехом может заменить электронные лампы и транзисторы в ряде функциональных узлов электронной аппаратуры.

На практике ОУ обычно используются с цепями обратной связи. Отрицательная ОС широко используется в усилителях на основе ОУ. Вариант для реализации усилителя показан на рис. 2.17.

Рисунок 2.17

Здесь ООС задается резисторами R_ОС1 и R_ОС2. Коэффициент передачи четырехполюсника ОС определяется по формуле

(2.24)

Этот коэффициент называют коэффициентом ООС. Он может принимать значения в пределах 0 ... 1. Без учета реактивных элементов ОУ выражение для расчета К_ООС принимает вид:

К_ООС=К_О/(1+К_ОСК_О)=К_О/А (2.25)

где К₀ — коэффициент усиления ОУ без ООС, А=1+К_ОСК_О глубина ООС. В практических случаях К_ОСК_О>>1. Пренебрегая единицей, видим, что К_ООС обратно пропорционален К_ОС:

К_ООС»1/К_ОС=(R_ОС1+R_ОС2)/R_ОС1.

Как видно из этой формулы, коэффициент усиления ОУ с ООС практически не зависит от К₀, а определяется внешними элементами: резисторами R_ОС1 и R_ОС2, которые могут быть выбраны достаточно точными и стабильными. Усилитель, у которого коэффициент передачи задается внешними резисторами, получил название масштабного.

При использовании ООС в А раз уменьшается коэффициент усиления ОУ. Важными преимуществами ОУ с ООС являются: уменьшение в А раз частотных и нелинейных искажений, вносимых ОУ, а также выходного сопротивления ОУ. Как показано на рис. 2.16, при ООС существенно расширяется диапазон входных сигналов, для которых соблюдается линейность АХ и АЧХ. Указанные свойства определяют широкое применение ОУ с ООС.

Если подавать и_ОС в фазе с напряжением генератора входного сигнала и_Г (т. е. подключать выход четырехполюсника К_ОС к неинвертирующему входу), то ОУ оказывается охваченным ПОС. В формуле для расчета K_ОС это отражается как изменение знака у K_ОС:

К_ПОС=К_О/(1-К_ОСК_О). (2.27)

Из этой формулы видно, что ПОС способствует увеличению коэффициента усиления ОУ по сравнению с К_0. Однако введение ПОС в усилителе сопровождается ухудшением стабильности (устойчивости) его режима, увеличением частотных и нелинейных искажений, уменьшением динамического диапазона уровней усиливаемых сигналов. Поэтому ПОС в усилителях используется редко.

При глубокой ПОС, если К_ОСК₀>1, происходит самовозбуждение ОУ. Это явление, как полезное, широко используется в автогенераторах.

Более полное представление о свойствах ОУ с ОС дают модели с учетом реактивных элементов схем (в первую очередь между электродных и монтажных емкостей). При этом все параметры в приведенных выше формулах (2.1 ... 2.4) представляются в комплексной форме.

Первые типы интегральных ОУ были разработаны в начале 60-х годов и содержали три каскада усиления напряжения и выходной эмиттерный повторитель (ЭП). Структурная схема указанных ОУ показана на рис. 2.4, а.

Рисунок 2.18

В литературе ОУ, выполненные по такой структурной схеме, получили название трехкаскадных. Название объясняется числом каскадов усиления напряжения. Как правило, здесь и в других типах ОУ на входе используется дифференциальный каскад усиления (ДУ). Выход ДУ подключен к каскаду усиления напряжения (УН). Между УН и ЭП включен усилитель мощности (УМ) со схемой сдвига уровней. Схема сдвига уровней широко используется в ОУ для обеспечения нулевого постоянного напряжения в нагрузке при отсутствии входного сигнала.

Операционные усилители первого поколения обычно содержали три каскада усиления напряжения на основе n-p-n-транзисторов. Они имели сравнительно малое входное сопротивление и коэффициент усиления. На высоких частотах трехкаскадные ОУ вносят большие фазовые сдвиги и склонны к самовозбуждению. В качестве нагрузок в каскадах таких ОУ использовались резисторы. К трехкаскадным усилителям первого поколения относятся ОУ типов К140УД1 и К140УД5.

Широкое применение в настоящее время находят двухкаскадные ОУ (рис. 2.18, б). Отличительной особенностью таких ОУ является совмещение функций усиления напряжения и мощности в одном каскаде УМ. Переход к двухкаскадным схемам стал возможным благодаря применению в них биполярных транзисторов (БТ) с большими значениями коэффициента усиления по току, работающих на динамические нагрузки. Динамические нагрузки представляют собой генераторы тока на основе транзисторов и обеспечивают высокие значения сопротивлений переменному току.

Операционные усилители второго поколения обычно содержат биполярные транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов. В некоторых типах с целью реализации высокого входного сопротивления на входах в ДУ используются полевые транзисторы (ПТ). Существенной отличительной особенностью современных двухкаскадных ОУ является широкое применение в них динамических нагрузок.

Необходимость в ОУ, обладающих одновременно высоким входным сопротивлением, большим коэффициентом усиления напряжения и повышенным быстродействием, привела к разработке ОУ третьего поколения. Особенность этих ОУ заключается в применении БТ со сверхбольшими значениями коэффициента усиления по току (b_БТ=10³...10⁴). Такие транзисторы имеют сверхтонкую базовую область и называются транзисторами супер-b.

К усилителям третьего поколения относят ОУ типа К140УД6 и К140УД14.

Четвертое поколение объединяет ОУ, имеющие рекордные значения отдельных параметров. Такие ОУ начали разрабатывать с 1974 г. Они получили также название специализированных. К ним можно отнести, например, ОУ типа К153УД5 с очень большим значением коэффициента усиления по напряжению (более 10⁶ раз), К154УД2 с высокой скоростью нарастания выходного напряжения (более 75 В/мкс) и К140УД12 с малым током потребления (менее 0,2 мА).

Питание ОУ обычно осуществляется от двух разнополярных источников питания. Для большинства современных ОУ напряжения питания можно менять в широких пределах ± (3...15) В, что позволяет создавать как экономичные устройства, так и устройства с большой амплитудой выходного сигнала.

Рассмотрим технические решения основных типов функциональных узлов ОУ. Важнейшим узлом является дифференциальный каскад усиления. Простейшие схемы ДУ, выполненные на основе БТ и ПТ, приведены на рис. 2.19. а и б соответственно.

Рисунок 2.19

Дифференциальным каскадом усиления называют функциональный узел, усиливающий разность двух напряжений (дифференциальное напряжение). В идеальном случае (когда R₁=R₂ идентичны характеристики VT₁ и VT₂) выходное напряжение ДУ пропорционально только разности напряжений, приложенных к двум его выходам, и не зависит от их абсолютных значений: U_ВЫХ=К_Д(U_ВХ1-U_ВХ2), где K_Д—коэффициент усиления разности входных напряжений.

Реальный ДУ не обладает идеальной симметрией, в результате чего выходное напряжение зависит не только от разности, но и от суммы входных сигналов. При этом половина этой суммы (U_вх1+U_вх2)/2 называется синфазным сигналом. Выходное напряжение реального ДУ U_вых=К_д(U_вх1-U_вх2)+К_с(U_вх1+U_вх2)/2, где К_С— комплексный коэффициент передачи синфазного сигнала. Качество ДУ оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_осс=К_д/К_с. У реальных ДУ К_ОСС =10³...10⁵.

Для реализации ДУ с большими значениями К_Д в качестве R₁ и R₂ целесообразно использовать динамические нагрузки. Для реализации ДУ с малыми значениями К_Д необходима высокая степень симметрии плеч и глубокая местная ООС для синфазного сигнала. Это достигается включением динамической нагрузки вместо резистора R₃.

Роль динамических нагрузок в ОУ выполняют генераторы тока на основе БТ и ПТ, показанные на рис. 2.20, а и б соответственно.

Рисунок 2.20 Рисунок 2.21

Здесь высокие динамические сопротивления достигаются благодаря использованию свойств ООС по току. Динамическое сопротивление генератора тока на основе БТ рассчитывается по формуле

.

Динамическое сопротивление генератора тока на основе ПТ рассчитывается по формуле R_Д=R_СИ (1+S_ПТ R₁), где R_СИ — динамическое сопротивление ПТ без ООС (сопротивление участка сток-исток переменному току), S_ПТ — крутизна ПТ в рабочей точке. Значение динамических сопротивлений R_Д, реализуемых схемами на рис. 2.20, на один-два порядка превосходят допустимые значения сопротивлений резисторов в схемах ДУ, приведенных на рис. 2.19. Для реализации очень больших значений R_Д необходимы высокоомные резисторы во входных цепях генераторов тока. Однако это нежелательно из-за существенного падения на них напряжения постоянного тока. Избежать применения резисторов и реализовать динамические сопротивления позволяют отражатели типа первого и второго родов, приведенные на рис. 2.21, а и б соответственно. Здесь выходные токи I₁ с приемлемой для практики точностью повторяют входные токи I_1. Такие узлы иногда называют «зеркалом» тока первого и второго родов соответственно.

Для отражателя тока первого рода справедливо выражение для отражателя второго рода выходной ток с высокой точностью повторяет входной ток: I₂=I₁[1-2( +2b_БТ+2) ], для отражателя второго рода выходной ток с высокой точностью повторяет входной ток: I₂=I₁[1-2(b²_БТ+2b_БТ+2) ].

Схема узла сдвига уровней приведена на рис. 2.22.

Рисунок 2.22 Рисунок 2.23

Принцип действия узла основан на выполнении следующих условий: а) для постоянного тока сопротивления R гораздо больше сопротивления генератора тока; б) для переменного тока, наоборот, сопротивление R гораздо меньше динамического сопротивления генератора тока. Таким образом, при отсутствии переменного напряжения на входе на резисторе R выделяется основная часть постоянного напряжения и только незначительная часть его поступает на выход. При появлении переменного напряжения узел работает как повторитель напряжения с коэффициентом передачи, близким к единице.

На входе ОУ обычно применяют эмиттерные повторители с целью обеспечения низкого выходного сопротивления. Простейший эмиттерный повторитель изображен на рис. 2.23. Выходное сопротивление этого функционального узла будет тем меньше, чем выше сопротивление резистора R. Для улучшения показателей ЭП в нем вместо R целесообразно также использовать динамическую нагрузку. Следует отметить, что выходной каскад потребляет основную мощность от источников питания. С целью улучшения энергетических показателей в ОУ часто применяют сложные эмиттерные повторители на транзисторах, работающих в одном из экономичных режимов (АВ, В).

При использовании высококачественных ОУ свойства функциональных узлов зависят от параметров внешних цепей, подключенных к ОУ, и практически не зависят от параметров элементов внутри ОУ. Эта особенность позволяет при проектировании, устройств на ОУ пользоваться упрощенными моделями — макромоделями.

Возможные случаи применения ОУ охватывает обобщенная макромодель применений ОУ, приведенная на рис. 2.24.

Рисунок 2.24.

Здесь к ОУ подключены элементы Z₁(p)... Z₆(p). На практике в качестве Z₁(p)... Z₆(p) используются элементы R, С, L, D и др. Электрические свойства приведенной макромодели могут быть описаны системой уравнений Кирхгофа, представленных в операторной форме:

U_вх1(р)=I₁(p)z₁(p)=U₁(p);

U_вх2(р)-I₂(p)z₂(p)=U₁(p);

I₁(p)+I₂(p)=I₃(p);

U_вх1(р)-I₁(p)z₁(p)-I₃(p)z₆(p)=U_вых(p);

U_вх2(р)-I₂(p)z₂(p)-I₃(p)z₆(p)=U_вых(p);

где

Последнее уравнение представляет собой обобщенную запись характеристики прямой передачи функциональных узлов на основе ОУ.

Использование рассмотренной макромодели позволяет простым образом синтезировать усилители, узлы, выполняющие разнообразные математические операции, импульсные и нелинейные устройства.

Возможности построения усилителей на основе ИС рассмотрим, используя обобщенную макромодель применений ОУ.

Если в обобщенной макромодели выполнить условия Z_l(p)=R_l, Z₂(p)=¥; Z₃(р)=¥, Z₄(р)=¥, Z₅(p)=R₅, Z₆(p)=R₆, то реализуется модель устройства (рис. 2.15, а), характеристика прямой передачи которого в операторной форме описывается выражением

. Рисунок 2.25.

Используя свойство линейного преобразования Лапласа, запишем выражение в виде . Из этого выражения следует, что реализован усилитель, у которого коэффициент усиления по напряжению задается двумя резисторами — R₆ и R₁: К = - R₆ / R₁. Знак «минус» в формуле означает, что фаза выходного напряжения отличается от входного (инвертируется) на 180°. Отношение сопротивлений задает коэффициент усиления (масштаб). Поэтому такой усилитель получил название инвертирующего масштабного усилителя. Резисторы R₁ и R₆ образуют цепь параллельной ООС по напряжению. При этом в раз уменьшаются входное и выходное сопротивление ОУ, повышается стабильность режима, уменьшаются частотные и нелинейные искажения.

Если в обобщенной микромодели выполнить условия Z₁(p)=R₁, Z₂(p)=¥, Z₃(p)=R₃, Z₄(p)=¥, Z₅(p)=R₅, Z₆(p)=R₆, то реализуется неинвертирующий усилитель (рис. 2.25, б), характеристика прямой передачи которого описывается выражением

.

Если R₃=0, то и в этом усилителе коэффициент усиления напряжения определяется выбором элементов цепи ООС:

К_u=l+R₆/R₁.

Если в обобщенной макромодели выполнить условия Z₁(p)=R₁; Z₂(p)=, Z,(p) = R₃, Z₄(р)=¥, Z₅(p)=R₅, Z₆(p)=R₆, то реализуется вычитатель. Модель приобретает вид рис. 2.25, в и описывается характеристикой прямой передачи

.