Операционные усилители: виды и применение¶

Операционный усилитель (ОУ) — это электронный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, одним выходом, обладающий высоким коэффициентом усиления (обычно 10⁵–10⁶ и более). Благодаря использованию внешней цепи отрицательной обратной связи характеристики схемы на ОУ определяются почти исключительно свойствами этой цепи, а не параметрами самого усилителя. Это свойство сделало операционные усилители универсальным базовым блоком аналоговой электроники — от простых повторителей напряжения до сложных вычислительных и измерительных устройств.

¶История

Первые ламповые операционные усилители появились в 1940-х годах и использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций — суммирования, интегрирования, дифференцирования, — отсюда и произошло название «операционный». В 1960-х годах с развитием интегральной технологии появились монолитные ОУ, самым известным из которых стал Fairchild μA709 (1968), а затем — легендарный μA741 (1968), задавший стандарт на десятилетия. Современные ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем с десятками и сотнями тысяч транзисторов на кристалле.

¶Устройство и принцип работы

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (обозначается «−») и неинвертирующий («+»). Выходной сигнал пропорционален разности напряжений между этими входами, умноженной на коэффициент усиления без обратной связи (A_OL):

U_вых = A_OL · (U₊ − U₋).

Входы ОУ обладают очень высоким входным сопротивлением (у полевых транзисторных входов — до 10¹² Ом), что делает их практически не потребляющими тока. Выходное сопротивление, наоборот, мало (доли ома), что позволяет подключать низкоомные нагрузки.

Ключевая особенность — работа с отрицательной обратной связью (ООС). При замыкании выхода на инвертирующий вход через резистор или другой элемент, разность входных напряжений стремится к нулю (правило «виртуального нуля»). В этом режиме коэффициент усиления схемы задаётся только внешними компонентами, что обеспечивает высокую стабильность и предсказуемость.

¶Виды операционных усилителей

¶По типу входного каскада

• ОУ с биполярными транзисторами — классические (741), имеют умеренное входное сопротивление (до 10 МОм), низкий уровень шума.
• ОУ с полевыми транзисторами (JFET, CMOS) — входное сопротивление до 10¹² Ом, малые входные токи (пикоамперы), применяются в измерительных цепях, например, TL081, OPA134.

¶По напряжению питания

• Стандартные — питание ±15 В (или +5…+30 В однополярное).
• Rail-to-rail — работают при низких напряжениях (3–5 В) и позволяют выходному сигналу достигать уровня шин питания, что важно для портативной и батарейной техники.

¶По полосе пропускания и скорости нарастания

• Универсальные — полоса единичного усиления 1–10 МГц.
• Широкополосные и быстродействующие — полоса до сотен МГц, скорость нарастания выходного напряжения свыше 100 В/мкс, применяются в видеотрактах, радиотрактах, импульсной технике.
• Малошумящие — оптимизированы для работы с малыми сигналами (усилители датчиков, микрофонные предусилители), например, LM833, AD797.

¶По числу каналов

• Одиночные (1 ОУ в корпусе), сдвоенные (2), счетверённые (4) — например, LM324 содержит 4 ОУ в одном корпусе.

¶Специализированные

• Измерительные (инструментальные) усилители — отличаются сверхвысоким подавлением синфазной помехи и используются в медицинской и тензометрической технике.
• Усилители с программно-управляемым коэффициентом — применяются в автоматических системах регулировки усиления.

¶Основные применения

Операционные усилители являются основой огромного количества схем:

• Линейные усилители: неинвертирующий и инвертирующий усилители, повторитель напряжения (буфер).
• Активные фильтры: фильтры нижних, верхних частот, полосовые и режекторные на основе ОУ с RC-цепями.
• Аналоговые вычислители: сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, логарифмические усилители.
• Компараторы — сравнение напряжений (при работе без ООС ОУ переключается в насыщение).
• Генераторы сигналов: мультивибраторы, генераторы синусоидальных и прямоугольных колебаний.
• Преобразователи сигналов: преобразователи ток–напряжение, напряжение–ток, аналого-цифровые и цифро-аналоговые интерфейсы.
• Стабилизаторы напряжения: ОУ входят в состав линейных регуляторов и источников опорного напряжения.
• Измерительная техника: усилители сигналов термопар, тензодатчиков, фотодиодов, мостовые схемы.

¶Параметры и характеристики

Ключевые параметры ОУ, указываемые в документации:

• коэффициент усиления без обратной связи (A_OL);
• напряжение смещения нуля (V_OS) — разность напряжений на входах, необходимая для нулевого выхода;
• входные токи (I_B) и разность входных токов (I_OS);
• коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — способность игнорировать одинаковое изменение напряжений на обоих входах;
• скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate);
• частота единичного усиления (GBW) — частота, на которой коэффициент усиления падает до 1.

¶Интересные факты

• Микросхема μA741, разработанная Дэвидом Фуллаграмом в Fairchild, выпускалась более 40 лет и стала одной из самых массовых микросхем в истории.
• Операционные усилители используются в аналоговых синтезаторах для создания модулирующих сигналов и фильтрации.
• Современные ОУ могут работать на частотах до нескольких гигагерц, что позволяет применять их в радиоприёмных трактах.

¶Источники

• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», т. 1.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника».
• Razavi B. «Design of Analog CMOS Integrated Circuits».
• Документация Texas Instruments, Analog Devices на операционные усилители.