Усе о

ЁХОД,

Смещение

Усилительные тенады

Смеще Hue

y Vee

Рис. 1 4. Часть принципиальной схемы типичного операционного усилителя.

(Ei-Ei) называть Ех, тогда уравнение (1.4) запишется в следующем виде:

если

Ebx - Ez

Евых - -вх-

(1.5) (1.6)

Под Епх всегда подразумевается дифференциальное входное напряжение, 1иначе говоря, это напряжение на входах (+) и (-) операционного усилителя.

Так как большинство операционных усилителей выполнено в виде интегральных схем, лучше рассматривать их как простые усилительные блоки, которым присущи описанные ранее свойства. Эти свойства, между прочим, позволяют нам полностью задавать характеристики каскада, использующего операционный усилитель, путем простого управления цепью обратной связи.

Вопросы внутреннего устройства ИС операционного усилителя не должны вас особенно беспокоить, но некоторый минумум знаний в этой области поможет вам стать хорошим разработчиком. Поэтому мы кратко проанализируем работу типичной недорогой ИС операционного усилителя.

На рис. 1.4 показана часть принципиальной схемы интегрального операционного усилителя. Транзисторы Qi и q2 образуют дифференциальную пару. База Q представляет собой неинвер-тирующий вход (+), а база q2 - инвертирующий вход (-).

Эмиттеры этих двух транзисторов соединены друг с другом и с источником постоянного тока (ИПТ). Хотя для упрощения схемы ИПТ изображен условно, на самом деле он представляет собой два (или более) транзистора, которые смещены таким образом, что ток коллектора одного из них остается постоянным в широком диапазоне изменения сопротивления нагрузки. Выходной сигнал дифференциальной лары снимается с коллектора q2 - точка А. Соотношение между изображенными на схеме токами всегда определяется следующим выражением:

/ипт = /1-Ь/2. (1-7)

Когда входные напряжения Ei и £2 равны друг другу, ток /ипт разделяется на две равные составляющие и Л = /2. При этом напряжение в точке Л принимает статическое значение, или, если хотите, значение напряжения покоя. Это приблизительно половина напряжения Vcc Теперь предположим, что £2 больше Д. Это эквивалентно тому, что на неинвертирующий вход подан сигнал, сделавший его потенциал положительным. В результате Qi будет смещен в большей степени, чем Q2, и ток h превысит ток Д. Так как ток /ипт остается постоянным, то для того, чтобы удовлетворялось уравнение (1.7), увеличение тока h должно сопровождаться уменьшением тока h- Уменьшение тока /2 означает, что уменьшается коллекторно-эмиттерный ток в транзисторе q2, значит падение напряжения на резисторе R2, стоящем в цепи коллектора q2, будет меньше. Напряжение в точке Л -это напряжение питания Vcc минус падение напряжения на /?2, поэтому при уменьшении падения напряжения на R2 оно возрастает. Следовательно, положительное напряжение, поданное нанеинвертирующий вход, приводит к возрастанию напряжения в точке Л. Аналогично если на неинвертирующий вход подать сигнал, делающий его потенциал отрицательным, то мы увидим, что напряжение в точке Л также будет изменяться в отрицательном направлении. Если подавать сигналы на инвертирующий вход, то получим подобные же эффекты, но они будут противоположны тем, что мы описали для неинвертирующего входа.

Простые инвертирующие повторители

На рис. 1.5 показана принципиальная схема простого инвертирующего повторителя, - пожалуй, самая распространенная схема операционного усилителя. В этой схеме для простоты заземлен неинвертирующий вход.

Если операционный усилитель имеет и вход (+), и вход (-), то можно воспользоваться еще одним его свойством:

Входы дифференциального усилителя как бы связаны между собой.

Это значит, что если приложить потенциал к одному вхо-

Рис. 1.5. Принципиальная схема инвертирующего повторителя.

ду усилителя, то другой вход можно рассматривать так, как если бы этот потенциал был приложен и к нему.

В случае с нашим инвертируюш,им повторителем вход (-f) заземлен. С учетом указанного выше свойства можно рассматривать инвертирующий вход так, как если бы отоже был заземлен. Поскольку на самом деле вход обладает большим сопротивлением, такое состояние называется мнимым заземлением.

Через входную цепь операционного усилителя протекание тока не происходит, поэтому при составлении уравнений мы будем считать, что вход усилителя заземлен. При составлении уравнений, описывающих передаточную функцию усилителя, это свойство усилителя можно использовать двояко. Сейчас мы познакомимся с методом составления уравнений, который я называю основанным на использовании закона Кирхгофа. Для этого нам понадобятся только те свойства усилителя, которые были описаны ранее, а также тот факт, что выход схемы можно рассматривать как источник напряжения.

Если на вход подать напряжение Ех, то через сопротивление Rex будет протекать ток /вх. Этот ток определяется следующим образом:

/„ = £, ?,„ (1.8)

то есть это уравнение есть не что иное, как закон Ома. При составлении уравнений мы считаем, что вход заземлен, однако не следует забывать, что на самом деле вход усилителя обладает высоким сопротивлением и во входной цепи ток не протекает. Для того чтобы удовлетворялся закон Кирхгофа для токов, нужно создать такой ток (обозначим его/о.с), чтобы полностью скомпенсировать ток /вх. Согласно закону Кирхгофа для токов

/вх + /о.с = 0.

(1.9а) (1.96)