Современные разработчики электронной аппаратуры стремятся использовать готовые функциональные узлы в виде интегральных микросхем (ИМС). Схемные решения ИМС тщательно проработаны и обеспечивают высокое качество аппаратуры. Предприятия, выпускающие микросхемы, заинтересованы в их сбыте. Поэтому они стремятся разработать универсальные микросхемы, которые можно применять в качестве различных функциональных узлов. Это повышает их спрос. Одной из таких ИМС является операционный усилитель (ОУ).
ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление ( десятки - сотни Ом). Он усиливает широкий спектр чистот, вплоть до постоянной составляющей.
Недостатки операционного усилителя:
1. Коэффициент усиления ОУ КU меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Например, для ОУ серии К153УД1
2. Коэффициент усиления КU сильно зависит от температуры окружающей среды. Это обусловлено зависимостью от температуры коэффициента передачи тока базы транзисторов -b.
Такая нестабильность КU сильно затрудняет применение ОУ непосредственно в качестве усилителя. Кроме того, большое значение КU ограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу (см.рис.14.6а). Например, если Кб =20000, а максимальное напряжение на выходе ОУ -, то максимально допустимый диапазон изменений входного напряжения лежит в пределах . При увеличении входного напряжения за эти границы выходное не будет изменяться. Появляются нелинейные искажения сигнала.
Значительно уменьшить недостатки ОУ позволяет применение ОС. Схема ОУ с ОС приведена на рис. 14.6б. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R1R2 поступает на инвертирующий вход ОУ
. (14.14)
Выходное напряжение ОУ представляется разностью Uвх -UОС. Такая ОС называется отрицательной ООС.
При высоких значениях КU разностью (Uвх- UOC) можно пренебречь, полагая . Тогда коэффициент усиления ОУ с ООС КUoc легко определить с учетом (14.14)
(14.15)
Видим, что КUoc определяется лишь отношением сопротивлений (R1 + R2)/R1 и не зависит от КU, т.е. все дестабилизирующие факторы ликвидированы. В практических схемах значения сопротивлений следует выбирать в пределах 103 ¸ 106 Ом. Например, при R1 = 2 × 103 Ом и R2 = 2× 105 Ом. КUос = 101. Теперь передаточная характеристика ОУ с ОС будет иметь достаточно большую область линейного участка. Для наших примеров диапазон входного сигнала расширяется до значения ±0,1В (пунктир на рис. 14.6а).
Схема инвертирующего ОУ с ООС приведена на рис. 14.6В. В этой схеме входной сигнал и сигнал ООС поступают на инвертирующий вход ОУ. При этом происходит сложение токов Iвх и Ioc. Коэффициент усиления в этой схеме определяется отношением
.
Знак минус указывает, что фазы входного и выходного сигналов противоположны.