Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Рис. 8.8. Однокаскадный (а) и трехкаскадный (б) усилители с последовательной ОС по току

Что такое усилитель с параллельной ОС по току?

Усилитель с параллельной ООС по току представлен на рис. 8.9. Связь этого типа используется почти исключительно в транзисторных схемах, поскольку сильная нагрузка, вносимая цепью ОС на вход усилителя, несущественна из-за малого входного сопротивления транзистора. Параллельная связь по току вызывает снижение входного и повышение выходного сопротивления усилителя.

В рассматриваемой схеме изменения тока второго транзистора вызывают изменение напряжения па резисторе в цепи эмиттера. Это напряжение, фаза которого противоположна фазе входного напряжения, управляет первым транзистором. Коэффициент ОС определяет сопротивление резистора Rf.

Рис. 8.9. Усилитель с параллельной ОС по току

Какой усилитель называется операционным?

Операционным усилителем называется усилитель с очень большим коэффициентом усиления, предназначенным для работы с внешней цепью ООС, свойства которой и, определяют главным образом свойство всей схемы в целом. Наличие ООС обеспечивает стабильность работы усилителя, увеличивает его динамический диапазон по входу, а также положительно влияет на линейность и ширину полосы.

С точки зрения схемотехники операционный усилитель трактуется как «черный ящик» с определенными входами и выходами. Не вникая в детали устройства операционного усилителя, можно сказать, что он характеризуется однородной конструкцией и в настоящее время выпускается почти исключительно в виде интегральной микросхемы.

Помимо несомненного преимущества, которым являются малые габаритные размеры операционного усилителя, более существенно то, что все его элементы изготовляются в идентичных условиях в течение единого технологического процесса. Поскольку все элементы выполнены на общей подложке, параметры всех сравнимых элементов почти одинаковы, а из-за сильной тепловой связи создаются условия почти идеальной компенсации изменений параметров этих элементов в зависимости от температуры.

В состав операционного усилителя входят: дифференциальный усилитель, схема с высоким входным сопротивлением (например, выполненная на полевых транзисторах), схема Дарлингтона, эмиттерный повторитель, выходная схема с повышенной выходной мощностью и т. п. Все эти схемы обеспечивают получение большого коэффициента усиления, высокое входное и низкое выходное сопротивления и возможность симметричного входа. Операционные усилители в полупроводниковом исполнении отличаются непосредственными связями между каскадами, т. е. они являются усилителями постоянного тока.

Как графически изображается операционный усилитель?

Графическое изображение операционного усилителя показано на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Условное графическое обозначение операционного усилителя

Обычный операционный усилитель имеет два входных зажима. Если зажим, обозначенный «+», заземлен, а входной сигнал подводится к зажиму «—», то происходит инвертирование фазы между входом и выходом. Поэтому зажим, обозначенный «—», является инвертирующим входом операционного усилителя. Наоборот, если заземлен зажим «—», а сигнал подан на зажим «+», то инвертирования фазы между входом и выходом не происходит. Поэтому зажим «+» называют также неинвертирующим входом.

Реже встречаются операционные усилители с одним входом и с симметричным выходом. Усилитель с одним входом можно трактовать как вариант усилителя с заземленным входом «+».

Поскольку в обычном операционном усилителе есть два независимых входа, из которых один инвертирующий, а другой неинвертирующий, имеется возможность подведения к входным зажимам разностного сигнала. Если на оба входа будут поданы два одинаковых сигнала, то сигнал на выходе будет равен нулю, а входной сигнал такого типа называется неразностным сигналом (общим). Большая буква К, расположенная в графическом изображении операционного усилителя, обозначает усиление недогруженного усилителя с разомкнутой цепью ОС.

Какими свойствами должен обладать идеальный операционный усилитель?

Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие основные свойства: бесконечно большое усиление при разомкнутой цепи обратной связи (К —> ); бесконечно широкую полосу; бесконечно большое входное сопротивление (между входами, а также входами и массой); выходное сопротивление, равное пулю; выходное напряжение, равное пулю при возбуждении неразностным (общим) сигналом; идеальное дифференциальное усиление, а следовательно, бесконечно большое ослабление входного сигнала; независимость параметров от температуры.

Выпускают схемы с усилением 90 дБ, входным сопротивлением 1 МОм, затуханием паразитного сигнала 100 дБ, работающие в интервале температур от —55 до 125 °C. Ширина полосы пропускания не превосходит нескольких десятков мегагерц. Конечное значение ширины полосы и работа с ООС могут стать (из-за неустраненного фазового сдвига на высоких частотах) источником нестабильности операционных усилителей. Поэтому для предотвращения возникновения генерации применяется соответствующая частотная компенсация, задачей которой является уменьшение усиления в тех диапазонах частот, где велики фазовые сдвиги. Компенсация осуществляется с помощью RС-элементов, подключенных к соответствующим внутренним точкам операционного усилителя, выведенным наружу из схемы в процессе производства.

На чем основана работа операционных усилителей как усилительных схем?

На рис. 8.11 представлена простейшая схема операционных усилителей. Схема на рис. 8.11, а является усилителем, не инвертирующим фазу. Управляющее напряжение подводится к неинвертирующему входу, тогда как на инвертирующий вход подается часть выходного напряжения с помощью резистивного делителя R1R2. Коэффициент усиления схемы выражается следующим образом:

K = U2/U1 = (R1 + R2)/R1

и зависит только от сопротивлений резисторов в цепи ОС. Эти сопротивления должны быть выбраны таким способом, чтобы сопротивление их параллельного соединения было равно сопротивлению источника.

Используя в неинвентирующем усилителе R1 = , получаем коэффициент усиления по напряжению, равный единице. При этом схема работает, как повторитель напряжения (рис. 8.11, б). Из-за максимального входного сопротивления усилитель называют иногда сепаратором с единичным усилением.

Рис. 8.11. Основные схемы с операционными усилителями:

а — усилитель без изменения знака: б — повторитель напряжения; в — усилитель с изменением знака; г — разностный усилитель

На рис. 8.11, в представлен инвертирующий усилитель. Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. На этот же вход через резистор R2 поступает с выхода напряжение ООС. Неинвертирующий вход заземляется. Коэффициент усиления схемы зависит от отношения сопротивлений резисторов R1 и R2

K = U2/U1 = — R2/R1 

и может быть меньше или больше единицы. В особом случае, когда R2 = R1 схема имеет коэффициент усиления, равный единице, и меняется лишь полярность выходного сигнала по сравнению с полярностью входного. Поэтому схему называют иногда схемой изменения знака.

Операционный усилитель может выполнять функцию разностного усилителя с ОС, служащего для вычитания или взаимной компенсации двух напряжений. При обеспечении отношения R2/R1  = R4/R3  выходное напряжение должно быть пропорционально разности входных напряжений, подведенных от отдельных источников К инвертирующему и неинвертирующему входам (рис. 8.11. г).

Может ли операционный усилитель выполнять математические операции?

Да. Помимо уже упомянутых функций изменения знака и вычитания операционный усилитель может простым способом осуществлять операции сложения, интегрирования и дифференцирования, благодаря чему находит широкое, применение в аналоговых вычислительных машинах.