Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

   Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

   На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение U_Вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений: U_Вых = U1 - U2

Рис. 1. Обозначение ОУ

   Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

   Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

   Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Рис. 2. Принцип отрицательной обратной связи

   Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

   Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_Вх. В первый момент выходное напряжение U_Bыx, а следовательно, и напряжение обратной связи bU_вых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит U_д = U_BX. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления K_U, то величина U_вых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина bU_вых . Это приведет к уменьшению напряжения U_д, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

   Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.

   Операционные усилители характеризуются большим числом параметров, значения которых варьируются в широких пределах в зависимости от предъявляемых к ОУ требований. Учитывая это, естественно классифицировать усилители по значению наиболее важных параметров. Нередко делят ОУ на прецизионные, или усилители высокой точности(УВТ), усилители средней точности(УСТ) и усилители малой точности (УМТ), разбивая их параметры на три класса.

   Однако для разработки ОУ недостаточно классификации по параметрам. Необходима классификация по принципам построения или структурным схемам ОУ. Такая классификация приведена на рисунке 1. Все усилители делятся на ОУ с дифференциальным входом(ДОУ) и ОУ только с инвестирующим входом(Ин ОУ). Каждая группа может быть построена без преобразования сигнала(ОУ БП) и с преобразованием сигнала(ОУ ПС). Преобразование сигнала может быть реализовано в схемах с однократной модуляцией и демодуляцией(ОУ МДМ-1) или с двукратной(ОУ МДМ-2), с управляемыми генераторами(ОУ УГ), а также с периодической компенсацией дрейфа(ОУ ПКД). Каждый из перечисленных классов ОУ может выполняться с применением параллельного высокочастотного канала(ВЧС) или без него. Кроме того, ОУ могут быть выполнены либо как преобразователи напряжения в напряжение, т. е. без повторителя тока(ПТ) на входе, либо как преобразователи тока в напряжение с ПТ на входе.

   Операционные усилители без преобразования сигнала просты, удобны для интегральной технологии изготовления и потому получили наибольшее распространение. Их, в свою, очередь можно разбить на различные подгруппы в зависимости от построения входных и выходных каскадов. Наиболее часто их делят по типу входных транзисторов на ОУ с обычными биполярными транзисторами, с транзисторами «супер - ^β»(со сверхвысоким усилением по току), с полевыми транзисторами с p-n - переходом и ОУ с МОП - транзисторами. Операционные усилители БП всех этих подгрупп имеют высокое применение: первых двух - благодаря простоте изготовления и низкой стоимости, вторых двух - благодаря сочетанию сравнительно малого входного тока с малым дрейфом нуля. Операционные усилители с полевыми транзисторами обладают еще меньшим IВХ, особенно с МОП - транзисторами на входе, они позволяют также иметь большую VМАКС, но по дрейфу ЕСМ значительно уступают первым двум группам.

   Усилители с дифференциальным входом обладают существенно большими функциональными возможностями, чем только инвертирующие. Однако ДОУ не могут полностью заменить Ин ОУ, так как последние позволяют получать большее быстродействие и лучшую стабильность.

   Операционные усилители с преобразованием сигнала обычно сложней и дороже, чем ОУ БП, но они необходимы для обеспечения минимальных значений дрейфа и низкочастотных шумов. Причём ОУ МДМ-1 позволяют обеспечить минимальный дрейф нуля, но они имеют больший уровень шумов, чем ОУ МДМ-2. Операционные усилители с управляемыми генераторами имеют преимущества при обеспечении высокого входного сопротивления, малого входного тока и при гальванической развязке цепей. Операционные усилители с периодической компенсацией дрейфа по электрическим параметрам несколько уступают ОУ МДМ-1, но оказываются более технологичными по реализации по полупроводниковой интегральной технологии.

   Усилители с ВЧК по сравнению с одноканальными(без ВЧК) позволяют получить больший запас устойчивости, увеличить частоту среза и максимальную скорость нарастания сигнала.

   Для получения минимального времени установления выходного напряжения с заданной погрешностью существенными преимуществами обладают ОУ с повторителем тока на входе.

   Очевидно, при разработке ОУ необходимо учитывать не только требования к их параметрам, но и те возможности, которые обеспечивает каждый из приведённых на рисунке 1 принципов построения ОУ, а также возможность и целесообразность изготовления их по полупроводниковой интегральной технологии, гибридной интегральной технологии или в виде модулей из дискретных и интегральных элементов.

   Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, которые согласно квалификации по ГОСТ 4.465-86 делится на: универсальные (общего применения; например КР140УД6, КР140УД7, КР140УД608, КР544УД1 и др), у которых KyU = 10 3... 10 5; fI = 1,5 ... 10 МГц; прецизионные (инструментальные, например КР140УД13, КР140УД17, КР140УД21, КР140УД24 и др) с KyU > 0,5.10 6 и гарантированными малыми уровнями UСМ мВ и его дрейфа; быстродействующие (например КР140УД11, КР544УД2 и др.) со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых В/мкс; регулируемые (микромощные; например КР140УД12, КР140УД1208, 154УД1 и др) с током потребления IПОТ < 1 мА. Также можно выделить многоканальные ОУ (несколько ОУ в одном корпусе, например КР140УД20, КР157УД2 - двухканальные, серия КР1401УД1-УД4 - четырех канальные) и мощные и высоковольтные ОУ (с повышенными характеристиками UВЫХ и IВЫХ; например К157УД1 - ток нагрузки до 1А, КР1408УД1 - выходное напряжение ±19В).

   Рассмотрим внутреннюю схемотехнику операционных усилителей. Она тесно связана со схемотехникой аналоговых ИС других типов. Обобщенная структурная схема ОУ показана на Рис. 3. Она содержит два каскада усиления и эмиттерный повторитель на выходе. Коэффициент усиления по напряжению каждого из двух каскадов усиления обычно лежит в пределах от 300 до 1000, а коэффициент усиления эмиттерного каскада обычно равен 1, поэтому общий коэффициент усиления на низких частотах ОУ без обратной связи в пределах 10⁵÷10⁶.

Рис. 3 Обобщенная структурная схема ОУ

   Выходной каскад эмиттерного повторителя имеет выходное сопротивление, позволяющее усилителю работать на достаточно низкоомную нагрузку. Этот каскад имеет двухтактную конфигурацию, так что ОУ может работать либо как источник, либо как потребитель выходного тока.

   Все каскады ОУ непосредственно связаны друг с другом, т.е. в схеме отсутствуют межкаскадные или другие «обходные» емкости. Для устойчивой работы в режиме с обратной связью необходимо свести к минимуму общий фазовый сдвиг ОУ без обратной связи. Поскольку каждый каскад усиления вносит дополнительный фазовый сдвиг, необходимо минимизировать число каскадов усиления при сохранении большого коэффициента усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи). Первые интегральные ОУ имели три каскада усиления, в настоящее время почти все ОУ имеют только два каскада, поэтому для получения общего большого коэффициента усиления без обратной связи (10⁵ ÷10⁶) каждый каскад должен иметь очень большой коэффициент усиления.

   ОУ на полевых транзисторах являются исключением из общего правила двухкаскадных усилителей. Полевые транзисторы используются либо только во входных каскадах, либо во всей схеме ОУ. Преимуществами таких ОУ являются очень высокое входное сопротивление и очень низкие входные токи. Однако из=за очень малой передаточной проводимости полевых транзисторов и, следовательно, коэффициента усиления по сравнению с биполярными транзисторами некоторые ОУ на полевых транзисторах имеют три каскада усиления.

   В тех случаях, когда требуются предельно малые значения напряжения смещения и его температурный дрейф, проектируют ОУ с преобразованием сигнала. Рассмотрим структурную схему ОУ МДМ, т.е. ОУ, содержащего канал с модуляцией, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией сигнала. Структурная схема ОУ МДМ приведена на . Она состоит из двух параллельных каналов: верхних частот - на пассивной цепи R1, C1 и постоянного тока и нижних частот - с модуляцией и демодуляцией сигнала (МДМ). С помощью входного фильтра Ф1 из входного напряжения U_ВХ выделяется сигнал постоянного тока и низких частот, который подвергается амплитудной модуляции модулятором М. Переменная составляющая с его выхода усиливается усилителем переменного тока У~ и затем с помощью демодулятора ДМ подвергается синхронной демодуляции и фильтрации выходным фильтром Ф2. В результате на выходе МДМ (выходе Ф2) восстанавливается постоянная и низкочастотная составляющая входного напряжения, но усиленная в K_МДМ (коэффициент усиления канала МДМ) раз. Выход МДМ подключен к неинвертирующему входу основного ОУ - DA1. Для управления работой М и ДМ служит генератор управляющих напряжений ГУ с частотой преобразования f_ПР.

Рис. 5 Структурная схема ОУ с периодической компенсацией дрейфа нуля

   Еще одним способом построения прецизионных усилителей с малым напряжения смещения является периодическая компенсация дрейфа. Структурная схема ОУ построенная по этому принципу приведена на Рис. 5. Рассмотрим работу усилителя по структурной схеме. ОУ с периодической компенсацией дрейфа работает в двух режимах. Режим 1 -ключи в положении 2. В этом режиме ко входу усилителя DA2, который включен в режиме повторителя, подключен конденсатор С1. На выходе повторителя и на конденсаторе С1 присутствует напряжение смещения усилителя DA2. Усилитель DA1 в режиме 1 повторяет напряжение на конденсаторе С2. В режиме 2 (ключи в положении 1) на вход разомкнутого усилителя DA2 подается входное напряжение, которое суммируется с напряжением на конденсаторе С1 (на этом конденсаторе хранится напряжение смещения усилителя DA2). На входе усилителя DA2 присутствует собственное напряжение смещения, которое компенсируется напряжением на конденсаторе. В результате в режиме 2 напряжение на выходе DA2 и на конденсаторе С2 будет определяться выражением:
U_выхDA2=(U_BX+ U_C1-E_CM2)×K_yU=(U_BX+ E_CM2-E_CM2)×K_yU=U_BX×K_yU

   Как видно из этого выражения на выходе усилителя отсутствует ошибка от напряжения смещения. Выходное напряжение запоминается на конденсаторе С2, для того чтобы напряжение на выходе DA1 не изменялось при переключении схемы в режим 1. Итак, конденсатор С1 служит для запоминания напряжения смещения DA2, которое используется для коррекции входного напряжения, а конденсатор С2 служит для запоминания откорректированного входного напряжения усиленного в K_уU раз. Усилитель DA1 служит как буферный усилитель для передачи сигнала с конденсатора C2 на выход. Естественно, усилитель DA1 вносит свою ошибку от собственного напряжения смещения, но его ошибка усилится только в 1 раз, а входное напряжение уже усилилось в K_уU раз. Это аналогично уменьшению напряжения смещения в K_уU раз. По подобному принципу построены микросхемы К140УД21, К140УД24.

   1. Коэффициент усиления напряжения K_yU˜ отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению K_yU всех его каскадов. В настоящее время K_y некоторых усилителей по постоянному току превышает 3.10⁶. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC˜ цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного ˜ две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

   2. Частота единичного усиления fI˜ значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

   3. Максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ макс} ˜ максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону ↑↓U _{ВЫХ макс} . В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2U_ВЫХ . Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина U_{ВЫХ макс} уменьшается.

   4. Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых ˜ отношение изменения U_ВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

   5. Напряжение смещения U_СМ ˜ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр U_СМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

   6. Входные токи I_ВХ ˜ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

   7. Разность входных токов ↑↓I_ВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 ... 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение ˜ дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

   8. Дрейф напряжения смещения ↑↓U_СМ.
9. Дрейф разности входных токов ↑↓I_ВХ.

   10. Максимальное входное напряжение U_ВХ ˜ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения ↑↓U_ВХ, в зарубежной литературе абсолютные значения диапазона.

   11. Максимальное синфазное входное напряжение. U_{ВХ СФ} ˜ наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины U _{ВХ СФ}, а в зарубежной диапазон.

   12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОССФ ˜ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

   13. Выходной ток I_ВЫХ ˜ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

   Часто вместо значения I_ВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки R_H. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом ˜ ток короткого замыкания I_КЗ равен 25 мА.

   Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение K_yU, f_I, V_Uвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров U_СМ, I_ВХ, ↑↓I_ВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

   Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

   a. бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по
напряжению K_U= D_Uвых /D(U₁ - U₂) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);

   b. нулевое напряжение смещения нуля U_см, т.е. при равенстве входных
напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ U_см,
приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

c. нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);

d. нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

e. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

f. мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время
установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен
микросекунд).

   Как будет показано ниже, операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться по крайней мере вплоть до частоты единичного усиления f_T, т.е. такой частоты, при которой |KU| =1. На рис. 3 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного

Рис. 3. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

   операционного усилителя. В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

   Здесь K_U - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты f_п, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления K_U обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение
|K_U| f = |K_U| f_п = f_T
На частоте f_T модуль дифференциального коэффициента усиления |K_U| = 1. Как следует из последнего выражения, частота f_T равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.