Операційним підсилювачем (ОП) називають інтегральний підсилювач постійного струму, параметри якого залежать від властивостей охоплює його ланцюга негативного зворотного зв’язку (00С).

Операційний підсилювач зазвичай містить, вхідний каскад, виконаний на основі диференціального підсилювача, проміжний підсилювач і вихідний каскад.

Операційні підсилювачі – одні з найбільш поширених елементів сучасної схемотехніки. На основі ОУ можна реалізувати пристрої, призначені для посилення, порівняння, обмеження, обробки, вибору або фільтрації сигналів довільної форми, а також інші вузли радіоелектронної апаратури [1.1-1.6].

Ідеальний ОУ повинен мати нескінченно:

♦ високий коефіцієнт посилення різницевого сигналу;

♦ малий коефіцієнт посилення синфазних сигналів;

♦ мала напруга зсуву нуля;

♦ малі вхідні струми;

♦ малий час запізнювання зміни вихідного сигналу при зміні вхідного;

♦ високий вхідний опір;

♦ мале вихідний опір, в ідеалі близьке до нуля.

Примітка.

Реальні властивості ОУ в тій чи іншій мірі можуть наближатися до ідеальних, ніколи не досягаючи межі. Так, наприклад, диференційний коефіцієнт посилення ОУ по напрузі рідко перевищує 106.

Напруга зсуву нуля залежно від різновиду підсилювача може перебувати в межах від одиниць мікровольта до десятків мілівольт і т. Д.

За внутрішньою будовою і виду використовуваних активних елементів ОУ поділяють на три групи:

♦ біполярні;

♦ біполярно-польові;

♦ КМОП (на комплементарних польових транзисторах з ізольованим затвором).

Застосування у вхідних ланцюгах ОУ польових транзисторів дозволяє помітно підвищити вхідний опір підсилювача, знизити вхідні струми.

Одночасно виразно проявляються і негативні властивості використання польових транзисторів – їх відносно невисока швидкодія, низькі робочі частоти.

За своїм призначенням операційні підсилювачі прийнято поділяти на групи, перераховані в табл. 1.1. Поділ це не є строгим, оскільки деякі підсилювачі можна одночасно віднести до різних класифікаційними групами. З появою нових більш досконалих мікросхем, зі зміщенням меж критеріїв може відбутися і перерозподіл існуючого асортименту ОУ по областям їх переважного застосування.

Зазвичай виграш у досягненні гранично значущих параметрів, що визначають призначення конкретного типу ОУ, обертається відповідному зниженням інших практично значимих показників. Так, наприклад, високе швидкодія ОУ поєднується з помітним підвищенням споживаного пристроєм струму.

Примітка.

Перші операційні підсилювачі, виконані на електровакуумних лампах, були створені в США в 1942 р Вони призначалися для виконання математичних операцій в перших аналогових обчислювальних машинах, звідси й назва підсилювачаопераційний. Операційні підсилювачі на транзисторах з’явилися також в США в 1957р. Серійно ОУ почали випускати з 1963 р Перший інтегральний ОУ конструкції Роберт Відлар (фірма Fairchild Semiconductor) отримав найменування μΑ702 і містив всього 9 транзисторів. Через 2 роки з’явився наступний більш досконалий варіант ОУ, сконструйований інженером ВідларμΑ709, а ще через 2 рокиLM101 (фірма National Semiconductor). Класичний ОУ 741 (μΑ741, іА741), створений в 1968 р, затребуваний до теперішнього времені.Основние ознаки і характеристики операційних підсилювачів Таблиця 7.7

Призначення ОУ

Характерні ознаки

Основні параметри

Область застосування

Приклади мікросхем

Загального застосування (індустріальний стандарт)

Усереднені або занижені параметри щодо інших груп, низька вартість

Коефіцієнт передачі 104—105, Смуга частот до 10-50 МГц. Похибка близько 1%

Пристрої загального призначення або масового застосування

К140УД6-К140УД8, К140УД20, К553УД1-К553УДЗ, КР1446УД1, LMV324

Мікропотужні

Мінімальна споживана потужність, економічність, можливість однополярного харчування, мале швидкодію

Споживана потужність частки мВт; знижені напруги живлення; струм споживання менше 25 мкА

Пристрої з обмеженим ресурсом елементів автономного живлення

AD8504, ОР481, ОРА4244, LPV521, МАХ409, МАХ4041, МАХ4464, МАХ4470, МАХ9915

Малопотужні

Мала споживана потужність, економічність

Струм споживання до 1,5 мА

Пристрої з автономним живленням, побутового призначення

К140УД12, К553УД4, К1407хх, КР1446УД2

Потужні

Максимальна вихідна потужність

Вихідна потужність до 1 кВт

Вихідні каскади УНЧ, джерела живлення, стабілізатори

РА30, ОРА502, ОРА512SM

Низьковольтні

Мінімально можливе робоча напруга, однополярної харчування

Напруга живлення 1,8-3 В і менше

Побутова техніка, пристрої з батарейним харчуванням

LMV324, LMV934, МАХ4037, МАХ4289, МАХ4291

Високовольтні

Максимальна робоча напруга

Напруга живлення до ± 200 В

Вихідні каскади розгорток, промислова електроніка

РА90, РА92, РА94, ОРА455, LM2409

Високочастотні

Максимальне значення верхньої межі підсилюються частот

Частота посилення понад сотні МГц

Техніка зв’язку

МАХ4012, МАХ4016, МАХ4018, МАХ4020, BGY115

Широкосмугові (швидкодіючі)

Висока швидкість зміни вхідної напруги

Швидкість наростання вихідної напруги вище 10-

100 В / мкс; частота одиничного посилення понад 50 МГц

Широкосмугові підсилювачі; техніка бистропротекающих процесів, відеотехніка, стільниковий телефонія

К140УД10, К140УД11, К574УД2, К574УДЗ, КР1446УД5, AD8009, AD8055, МАХ4125, МАХ4490, МАХ9650

Малошумливі

Мінімальний рівень власних шумів

Рівень шумів, приведених до входу, порядку од. Нвл / Гц.

Підсилювачі слабких і надслабких сигналів

LT623x, LMH6624, LMV722, NE5532, TS462, МАХ2641, МАХ4231, МАХ4493, МАХ9945

Таблиця 7.7 (продовження)

Призначення ОУ

Характерні ознаки

Основні параметри

Область застосування

Приклади мікросхем

Електрометричні

Максимально високий вхідний опір, його стабільність

Вхідний опір до 1015 Ом і більше; вхідний струм до 10 фа

Електрометрії, вимірювальна техніка

AD549, LMC6001

Ізольовані

Відсутність гальванічного зв’язку між вхідними та вихідними ланцюгами. Ізольоване живлення

Напруга ізоляції – понад 3,5 кВ

Медична техніка, енергетика, шахтне і нефтегазопромислове обладнання, індустріальні системи управління

AD210

Rail-to-rail

Амплітуда вихідної напруги, практично дорівнює

± іпіт

Напруга живлення від 0,9 В і більше

Радіоелектронні пристрої з високим ККД

NCS2001, AD820, TS3V902, TS951, МАХ 4197, ОРА363 / 364

Прецизійні

Підвищена точність установки передавальної чи іншої заданої функції

Тепловий дрейф по напрузі – до 3 мкВ / ° С; по струму – 30 нА / ° С; напруга зсуву менше 1 мВ.

Вимірювальна техніка, системи управління, промислова автоматика

К553УД5,140УД26, SSM2141, ОРА129РВ, LMC6082, LMV771, LMP2011, LMP8271, МАХ478, МАХ4236, МАХ478, МАХ9943

Диференціальні (інструментальні)

Високий коефіцієнт придушення синфазного сигналу

Коефіцієнт придушення синфазного сигналу до 120 дБ

Вимірювальна техніка, техніка Hi-Fi звуковідтворення, техніка зв’язку

AD620, AD627, AD830, АМР04Е, ОРА2607, INA163, XTR116, МАХ4144-МАХ4147

Підсилювачі з фіксацією рівня

Підвищена надійність роботи в умовах підвищених вхідних напруг

Фіксація / установка рівнів верхнього і нижнього напруги обмеження

Модулятори, обмежувачі, випрямлячі-детектори сигналів

AD8036, AD8037

Програмовані

Здається за бажанням користувача

Призначення і властивості ОУ задаються користувачем

Універсальне застосування в пристроях загального та спеціального призначення

НА2400, AD526, LMV422, PGA117, VGA2612, К140УД12, К1423УД1

Комбіновані

Поліфункціональність

Включають елементи додаткового призначення

Відеотехніка, побутова техніка

LMH6570

На рис. 1.1-1.4 в порядку зіставлення наведені еквіваленти та типові схеми включення мікросхем серії К118 (122) УД1 і К140УД1А, що відносяться до ранніх етапах розвитку вітчизняних операційних підсилювачів. На рис. 1.2 і 1.4 показані типові схеми включення цих мікросхем. Подальше поелементне розвиток внутрішньої будови ОУ графічно представляти навряд чи доречно, оскільки вже в мікросхемах К140УД9, створених третину століття тому, кількість транзисторів досягло 45, а в сучасних – перевищує кілька тисяч штук.

Рис. 1.1. Еквівалент мікросхеми К118УД1 (у дужках – номери виводовдля 122УД1, К122УД1)

Рис. 1.2. Типова схема включення мікросхеми К118УД1

Відзначимо загальне, що залишилося практично незмінним в структурі ОУ незалежно від етапів їх розвитку. Це диференційний вхідний каскад, проміжний підсилювач і вихідний каскад. Чітко всі зазначені елементи проглядаються в еквівалентній схемі мікросхеми К140УД1А, рис. 1.3.

Сумарний коефіцієнт посилення визначається твором відповідних коефіцієнтів посилення кожного з каскадів. Але оскільки коефіцієнт посилення останнього каскаду вельми близький до одиниці, внеском останнього сомножителя можна знехтувати.

Сучасні роботи по вдосконаленню ОУ ведуться в таких напрямках:

♦ підвищення коефіцієнта посилення;

розширення частотного діапазону;

♦ підвищення швидкодії підсилювача;

♦ підвищення стійкості роботи;

♦ мінімізація початкового зсуву вхідної напруги;

♦ зниження шумів;

♦ підвищення надійності (захист від перевантажень по входу і виходу, по ланцюгах харчування);

♦ підвищення стійкості роботи в екстремальних умовах (радіація, температура, тиск) і т. Д.

Рис. 1.4. Типова схема включення мікросхеми К140УД1А

Для роботи ОУ як з позитивними, так і з негативними вхідними сигналами використовують двуполярное напругу живлення + U і -U, рис. 1.2 і рис. 1.4.

Примітка.

У ряді випадків для спрощення схеми та підвищення її наочності підключення висновків харчування ОУне показують.

Рис. 1.3. Еквівалент мікросхеми 140УД1, К140УД1А (у дужках-номери висновків для КР140УД1)

Входи ОП часто позначають знаками «+» і «-», наприклад, рис. 1.4. Такі позначення не говорять про те, що на ці входи слід подавати позитивне чи негативне напруга. Знак «+» говорить про те, що фаза вихідного сигналу збігається з фазою вхідного, тому вхід «+» називають неінвертірующім. Знак «-» – фаза вихідного сигналу зсунута на 180 ° щодо фази вхідного сигналу, т. Е. Вихідний сигнал протифазі вхідного. Відповідно, такий вхід ОП називають інвертуючим.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.