Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал об дифференциальных усилителях, которые являются основой современной аналоговой электроники. Основное применение дифференциальные усилители нашли в особом типе электронных устройств, называемых операционными усилителями.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Немного истории

В 40-х годах ХХ века в связи с быстрым развитием науки и техники возникла необходимость в устройствах, которые позволили бы производить вычисления с высокой скоростью и выполнять основные математические операции, такие как сложение, умножение, возведение в степень, логарифмирование, дифференцирование, интегрирование и так далее. Такое устройство получило название операционный усилитель, и в его основе был положен дифференциальный усилитель, который мы рассматривали в прошлой статье. Так как для вычислительных задач использовалось много операционных усилителей, то такие устройства получили названия аналоговые вычислительные машины (АВМ) или аналоговый компьютер.

Пик производства аналоговых компьютеров пришёлся на 1960-1970-е годы и применялись они во всех сферах науки и техники, но со временем были вытеснены цифровыми вычислительными устройствами. Однако с приходом эры цифровых устройств и компьютеров актуальность операционных усилителей не потеряла своё значение. Хотя их «операционные» функции отошли на задний план, операционный усилитель, являясь по своей сути практически идеальным усилителем, имеет такое же значение в аналоговой технике, как и логический инвертор, выполняющий простейшую логическую функцию, в цифровой технике.

Первые операционные усилители были изготовлены на основе электровакуумных ламп и имели размер кирпича (разработаны в 40-50х годах) с довольно скромными параметрами. Современные же операционные усилители, выполненные по интегральной технологии последних поколений имеют полосу частот от 5 кГц до 5 ГГц, а напряжение питания составляет от 0,9 В до 1000 В.

Устройство операционного усилителя

Итак, операционный усилитель – это усилитель электрических сигналов, чаще всего постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот, предназначенный для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители в настоящее время выпускаются различного назначения и для выполнения различных функций и хотя электрическая схема усилителей даже одного класса может различаться, но структурная схема, которая лежит в основе всех операционных усилителей остается единой. Изображение структурной схемы выполнено ниже

.
Структурная схема операционного усилителя

Таким образом, операционный усилитель представляет собой схему из последовательно соединённых трёх частей: входной усилитель на основе дифференциального каскада (иногда может быть несколько дифференциальных каскадов), каскад согласования уровней и выходной каскад.

Дифференциальный входной каскад, имея большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, обеспечивает согласование операционного усилителя с источником сигнала. Довольно часто усиления одного входного каскада недостаточно, поэтому используется несколько дифференциальных усилителей на входе соединённых последовательно с симметричными входами и несимметричным выходом.

Каскад согласования уровней предназначен для согласования уровней напряжения между входным и выходным каскадами операционного усилителя. Кроме того данный каскад выполняет функцию усиления напряжения переменного тока и меет небольшое выходное сопротивление.

Выходной каскад операционного усилителя, обычно, не усиливает напряжение, но позволяет отдавать в нагрузку усилителя максимальное напряжение и ток, имеет небольшое выходное сопротивление, а мощность выделяемая на нём в случае отсутствия сигнала минимальна.

На изображении ниже показана принципиальная электрическая схема одного из первых операционных усилителей, выполненных по интегральной технологии, который разработал в 1963г. Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor

Электрическая принципиальная схема операционного усилителя μА702 (отечественный аналог К140УД1).

Данная схема содержит 9 транзисторов, 12 резисторов и 1 интегральный диод, в схеме отсутствуют конденсаторы, что даёт достаточно широкую полосу пропускания. В качестве входного усилителя используется дифференциальный каскад на транзисторах VT1VT2 с генератором стабильного тока на транзисторах VT3VT6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT4VT5 совместно с транзисторами VT7VT8 выполняют роль каскада согласования уровней, а транзистор VT9 используется в качестве выходного каскада с небольшим выходным сопротивлением.

На принципиальных электрических схемах операционные усилители в интегральном исполнении обозначаются следующим образом

Обозначение операционных усилителей на принципиальных электрических схемах (слева иностранное, а справа отечественное изображение).

Параметры операционных усилителей

Операционный усилитель, вследствие того, что он является довольно сложным устройством, имеет несколько десятков параметров, однако наиболее существенных параметров, которые влияют на работу устройств в состав, которых входит операционный усилитель, различаются в зависимости от назначения операционного усилителя.

Таблица 1
Параметры операционных усилителей

№п/п	Название параметра	Обозначение (отечественное/ иностранное)	Расшифровка параметра
1	Входное напряжение (дифференциальное входное напряжение)	UBX (UBX.ДИФ)	Напряжение между выводами входа и земли или напряжение между входными выводами дифференциального ОУ(дифференциальное входное напряжение)
2	Предельное входное напряжение	UBX.МАКС	Максимальное значение входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в ОУ
3	Коэффициент усиления ОУ	КУ.U (КУ.I)	Отношение приращения значения входного напряжения (тока) ОУ к вызвавшему это приращение значению входного напряжения (тока)
4	Напряжение смещения ОУ	UСМ	Значение постоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю при включении резисторов с оговоренными значениями сопротивлений между любым входным выводом ОУ и источником входного напряжения
5	Средний температурный дрейф напряжения смещения	∆UСМ/∆Т	Максимальное изменение значения UСМ при изменении температуры окружающей среды. Имеет размерность мкВ/°C;
6	Временный дрейф напряжения смещения	∆UСМ/∆t	Максимальное изменение UСМ операционного усилителя за указанный интервал времени через заданный интервал после включения при условии необходимой стабильности прочих воздействующих факторов
7	Синфазные входные напряжения	UBX.СФ	Напряжения между каждым из входных выводов ОУ и землёй, амплитуды и фазы которых совпадают, или что фактически эквивалентно среднему арифметическому напряжений, приложенных к входам усилителя
8	Диапазон синфазных входных напряжений	∆UBX.СФ	Диапазон значений синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах
9	Предельные синфазные входные напряжения	UBX.СФ.МАКС	Максимальные значения синфазных входных напряжений, не вызывающие необратимых изменений в ОУ
10	Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений	КОС.СФ	Коэффициент, равный отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающих одно и тоже приращение входного напряжения ОУ
11	Диапазон выходного напряжения	∆UBЫX	Диапазон значений выходного напряжения (между выходом и землёй ОУ), в котором параметры ОУ, определяемые малым сигналом, лежат в гарантированных пределах
12	Максимальное выходное напряжение	UBЫX.МАКС	Предельное значение выходного напряжения ОУ при оговоренном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала
13	Входной ток	IВХ	Ток, протекающий во входной цепи ОУ. В технической документации под входным током подразумевают средний входной ток, определяемый как среднее арифметическое входных токов по каждому из входов IВХ.1 и IВХ.2 при заданном значении выходного напряжения. Так как IВХ.1 = IВХ.2, то значение входного тока приблизительно совпадает с входным током каждого входа ОУ
14	Предельный входной ток	IВХ.МАКС	Максимальное значение входного тока ОУ, не вызывающее необратимых изменений в усилителе
15	Разность входных токов	∆IВХ	Разность значений токов, протекающих через входы дифференциального ОУ, при заданном значении входного напряжения
16	Диапазон выходного тока	∆IВЫХ	Диапазон значений выходного тока, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах
17	Предельный выходной ток	IВЫХ.МАКС	Максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызывающем необратимые изменения в ОУ
18	Входное сопротивление	RВХ	Величина, равная отношению приращения входного напряжения ОУ к приращению входного тока при заданном значении частоты сигнала.
19	Входное сопротивление для синфазных напряжений	RВХ.СФ	Величина, равная отношению приращения синфазных входных напряжений ОУ к приращению IВХ при заданной частоте сигнала
20	Выходное сопротивление	RВЫХ	Величина, равная отношению приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его приращению выходного тока
21	Входная емкость	СВХ	Величина, равная отношению емкостной реактивной составляющей входного тока ОУ к произведению круговой частоты на синусоидольное входное напряжение усилителя при заданном значении частоты сигнала. Фактически под входной емкостью подразумевается емкость между входами ОУ
22	Время установления выходного напряжения	tУСТ	Время от момента подачи на вход импульса напряжения прямоугольной формы до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности
23	Время нарастания	tНАР	Время, за которое выходное напряжение изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения
24	Максимальная скорость нарастания выходного напряжения	VU ВЫХ.МАКС	Наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы. Определяется как отношение приращения выходного напряжения к времени tНАР, за которое произошло это приращение.
25	Время восстановления	tВ	Время с момента снятия скачком входного сигнала перегрузки до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону погрешности, заданную относительно идеального значения.
26	Частота единичного усиления	f1	Частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице
27	Граничная частота	fГР	Частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 dB (то есть до уровня 0,707) относительно своего значения на низких частотах

Типы операционных усилителей

Все выпускаемые на сегодняшний момент операционные усилители можно условно разделить на несколько групп, которые характеризуются общей схемотехникой, динамическими и технологическими характеристиками. Необходимо отметить, что некоторые типы операционных усилителей можно отнести сразу к нескольким группам.

Типы операционных усилителей:

• — быстродействующие широкополосные;
• — прецизионные (высокоточные);
• — общего применения;
• — общего применения;
• — многоканальные;
• — мощные и высоковольтные;
• — микромощные.

Быстродействующие широкополосные операционные усилители имеют высокую скорость нарастания выходного сигнала, малое время установления и высокую частоту единичного усиления. Применяются для высокочастотных сигналов.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители имеют небольшое значение напряжения смещения и низкий уровень шумов, а также большим коэффициентом усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением. Применяются для усиления малых электрических сигналов.

Операционные усилители общего применения применяются в схемах, которые допускают погрешность на уровне 1%. Имеют средний уровень параметров и наибольшее распространение.

Операционные усилители с малым входным током имеют уровень входного тока прядка десятков пикоампер (I_ВХ ≤ 100 пА). Входные каскады данных усилителей построены на основе полевых транзисторов.

Многоканальные операционные усилители служат для улучшения массогабаритных показателей и имеют параметры аналогичные ОУ общего применения или микромощным усилителям.

Мощные и высоковольтные операционные усилители содержат выходные каскады построенные на мощных высоковольтных элементах и имеют выходной ток I_ВХ ≥ 100 мА и выходное напряжение U_BЫX ≥ 15 В.

Микромощные операционные усилители применяются там, где необходимо ограничить потребляемый ток, например приборы с автономным питанием, работающие в ждущем режиме. Потребляемый ток составляет I_{ПОТ.МАКС} ≤ 1 мА.

Многие могут задаться вполне логичным вопросом, почему операционным усилителям отводится существенное место в современной радиоэлектронике. Ответ довольно прост, ОУ имеет очень большой коэффициент усиления напряжения и тока, что позволяет при использовании обратной связи практически не учитывать усиление ОУ, а расчёт коэффициента усиления схемы регулировать только параметрами цепи обратной связи.

Такая цепь обратной связи, называется отрицательная обратная связь и она является основой работы всех операционных усилителей. О принципах работы операционных усилителей с отрицательной обратной связью я расскажу в своих следующих статьях.