Операционные усилители

Целью данной работы является рассмотрение операционных усилителей.

Полностью дифференциальный операционный усилитель по схемотехнике напоминает стандартный операционный усилитель. На рисунке 4 показана упрощённая версия ПД ОУ [3]. Транзисторы VT1 и VT2 – дифференциальная входная пара. В стандартном ОУ выходной ток первого каскада ответвляется только от одной коллекторной цепи и используется для преобразования в выходное напряжение несимметричного каскада.
В ПД ОУ (рис.4) коллекторы входных транзисторов нагружены на эмиттеры транзисторов VT3 и VT4, потенциал базы которых фиксирован (каскодное включение). Транзисторы VT5 и VT6 образуют динамическую нагрузку входного каскада, имеющую очень высокое динамическое сопротивление, за счёт чего обеспечивается большой коэффициент усиления напряжения одним каскадом. Выходные напряжения каскада через буферные повторители соединяются с дифференциальными выходами усилителя OUT+ и OUT–.

Рис.4. Упрощенная схема операционного усилителя с дифференциальными выходами

В первом приближении можно считать, что синфазное напряжение входов IN+ и IN– (UIС) не вызывает изменений коллекторных токов транзисторов. Усилитель У устанавливает коллекторные токи транзисторов VT5 и VT6 так, чтобы минимизировать разность между синфазным выходным напряжением UOС и напряжением на выводе UСФ. Два комплементарных усилительных канала используют один и тот же входной дифференциальный усилительный каскад, их характеристики хорошо согласованы, и схема поддерживает их рабочие точки близко друг к другу. Поэтому искажения дифференциального сигнала, вносимые парафазными усилителями, как правило, симметричны. Это при определённых условиях обеспечивает снижение уровня чётных гармоник. Другим достоинством ПД ОУ является увеличенный в два раза динамический диапазон выходного сигнала по сравнению со стандартным ОУ, с тем же размахом выходного напряжения.
Действительно, если напряжение на выходе OUT+ составляет Umsinωt относительно общей точки, то на выходе OUT– будет напряжение –Umsinωt. В таком случае дифференциальное выходное напряжение будет равно UOD = UOUT+ – UOUT– = 2Umsinωt. Наконец, если необходимо инвертировать выходной сигнал ПД ОУ, то достаточно поменять местами выходы усилителя.
Другими уравнениями, описывающими ПД ОУ, являются:

Инженерный анализ и расчет функциональных узлов на ОУ проводится с использованием эквивалентных схем, отражающих реальные свойства усилителей.
Эквивалентная схема ОУ с одним входом (рис. 3) подобна известной эквивалентной схеме транзисторного усилителя постоянных напряжений. В состав эквивалентной схемы входят генераторы ЭДС смещения, входного тока, выходного напряжения, входное и выходное сопротивления ОУ.
Дифференциальный усилитель используются в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне помех. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиотехнические сигналы, передаваемые по двухпроводному кабелю (двухпроводный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазная помеха не очень велика.
Дифференциальный усилитель широко используется в качестве первого каскада операционных усилителей. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока, так как симметричная схема ДУ по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.
Полностью дифференциальные измерительные усилители имеют множество преимуществ перед своими несимметричными аналогами, основными из которых являются:
– более высокая устойчивость к синфазным шумам;
– меньший уровень искажений по второй гармонике;
– лучшее отношение сигнал/шум;
– простота подключения к современным АЦП с дифференциальными входами.
В данной работе были рассмотрены общие сведения и применение операциаонных усилителей. Стоит отметить, что весьма широкое применение они нашли также в различных фильтрах.
Схемотехника применений ПД ОУ пока недостаточно развита и предоставляет много возможностей для творчества.
В ходе выполнения работы была рассмотрена принципиальная схема высоковольтного усилителя, позволяющего получить на выходе величину напряжения до 50 В. Подробно описано назначение ее элементов. Рассмотрена возможность создания схемы высоковольтного программируемого источника напряжения от компании усилителей OPA547, выпускаемых компанией Texas Instruments.