Интегральные микросхемы операционных усилителей

В настоящее время многие аналоговые электронные устройства, в том числе и усилители, выполняются в виде интегральных микросхем. Кроме специализированных микросхем усилителей (высокочастотных, промежуточной частоты, импульсных, низкочастотных и мощности) выпускаются микросхемы операционных усилителей, имеющих универсальный характер и используемых во многих аналоговых электронных устройствах.

Операционный усилитель — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (до 108раз) коэффициентом усиления и несимметричным или симметричным выходом.

Первоначально операционные усилители применяли в аналоговой вычислительной технике для выполнения различных математических операций (суммирования, умножения, интегрирования и т.д.), т.е. операционным называли решающий усилитель.

Создание дифференциальных усилительных каскадов в интегральном исполнении позволило решить задачу построения универсальных интегральных микросхем операционных усилителей. Сейчас выпускается широкая номенклатура ОУ, в том числе предназначенных для усиления сигналов различных датчиков, радиоэлектронных и технических устройств, а также фотоприборов, включая фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Применение ОУ существенно упрощает построение радиоэлектронных устройств и использование фотоприборов для решения задач импульсной техники.

Интегральная микросхема операционного усилителя (ИМС ОУ)—это высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач: усиления, преобразования, обработки, детектирования, формирования сигналов, фильтрации и т.д. Вместе с тем ИМС ОУ — это усилитель, обеспечивающий качественное усиление по постоянному току, поэтому его часто называют усилителем постоянного тока с дифференциальным входом и однофазным выходом. Постепенное совершенствование и рост выпуска ОУ в виде микросхем сделали их универсальными элементами разнообразных электронных устройств. Обычно в одной ИМС содержится два ОУ для двухкаскадного усилителя.

Операционный усилитель никогда не включают без отрицательной обратной связи. При этом уменьшается коэффициент усиления каскада, но расширяется его спектральный диапазон с равномерной АЧХ, снижаются нелинейные искажения, улучшаются функциональные характеристики. Практически можно считать, что характеристики усилительного каскада на ИМС ОУ в основном определяются свойствами цепи отрицательной обратной связи.

Иногда в литературе ИМС ОУ называют операционным усилите­лем без обратной связи, а собственно усилитель на основе ОУ — операционным усилителем с обратной связью, т.е. операционным усилителем называют как интегральную схему, так и сам усилитель с использованием ИМС ОУ.

Далее, в некоторых случаях для сокращения мы будем говорить ОУ, подразумевая ИМС ОУ или усилитель с ИМС ОУ, что легко различить по контексту.

К выводам ИМС ОУ кроме цепи обратной связи присоединяются питание, нагрузка, источники сигналов и другие цепи. Операционный усилитель является усилителем постоянного напряжения, т.е. его АЧХ не имеет завала в области низких частот, поскольку ИМС ОУ не содержит разделительных конденсаторов. При этом, чтобы в отсутствие входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (потенциалу земли), для питания ОУ используют двуполярный источник (обычно симметричный, например, ±15 В).

Электрическая схема ИМС операционного усилителя 140УД1 с разделением на каскады и ее УГО приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Электрическая схема интегральной микросхемы операционного усилителя 140УД1 (а) и ее УГО (б)

ИМС ОУ имеет два входных вывода: инвертирующий (обозначаемый на схемах кружком) и неинвертирующий. Обычно инверти­рующий вход обозначают и называют отрицательным входом (-), а неинвертирующий — положительным (+). Иногда напряжения на этих входах соответственно обозначают U -и U +. При этом напряжение на выходе ОУ является инвертированным по отношению к сигналу, поданному на отрицательный вход, и неинвертированным по отношению к сигналу, поданному на положительный вход.

Если на входные выводы ИМС ОУ поступают соответственно напряжения U -и U +, то из них можно выделить синфазный (U сф) и дифференциальный (U диф) сигналы.

Синфазный сигнал соответствует среднему значению напряжений двух одинаковых по знаку сигналов, приложенных к обоим входным выводам:

U сф= (U -+ U +)/2.

Дифференциальный (разностный) сигнал соответствует разности напряжений двух сигналов одинаковых по знаку:

U диф=(U +- U -).

Например, если U +=1,4В и U -=1,0В, то U сф=1,2В, а U диф=0,4В.