КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто!

Собственно операционный усилитель был изобретен Филбриком в 1938 году. Но этот ламповый, громоздкий прибор был не столько изобретением схемы, сколько разработкой принципа. Филбрик, а позднее Ловелл, показал, что при нечетном числе ламповых каскадов высокого усиления, создающих требуемый фазовый сдвиг между входом и выходом, передаточную функцию схемы можно задать ВСЕГО ДВУМЯ внешними компонентами!

«А»: Говорят, что операционные усилители (или ОУ) — самые распространенные микросхемы аналоговой техники.

«С»: Эти слухи документально правдивы! В 1965 году Видлар разработал первый, пригодный для практического использования ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОУ типа μА709 фирмы FAIRCHILD. Ему были присущи некоторые недостатки, что сдерживало его широкое применение. Перейдя в фирму National, Видлар разработал более совершенный ОУ типа LM301.

Но инженеры фирмы FAIRCHILD разработали новый ОУ, обладающий внутренней частотной коррекцией, в результате чего упростился процесс регулировки сдвига. Поскольку новый ОУ типа μА741 действительно не требовал в большинстве случаев иных компонентов, кроме тех, которые формируют цепь обратной связи, то ОУ именно этого типа почти мгновенно распространился по всему миру! Их производят сотни полупроводниковых фирм СОТНЯМИ МИЛЛИОНОВ штук!

«Н»: Мне не терпится скорее узнать, что же представляет из себя этот самый ОУ, а главное — чем он может быть нам полезен?

«А»: Может он очень многое…

«С»: Уважаемый Аматор! Я попросил бы тебя начать рассказ.

«А»: Благодарю за доверие!.. Операционный усилитель (ОУ) предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Причем свойства и параметры схем на ОУ определяются элементами цепи обратной связи. ОУ представляют из себя УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (или УПТ), имеющие нулевое значение выходного напряжения, если входные напряжения равны нулю.

«Н»: Что значит «входные напряжения»? Разве у ОУ не один вход?

«А»: Да, представь себе, ОУ имеют ДВА ВХОДА! Я сейчас изображу это на рис. 17.1.

Вход, обозначенный как (+) называется НЕИНВЕРТИРУЮЩИМ, а вход обозначенный символом (-) — ИНВЕРТИРУЮЩИМ. Для обеспечения возможности работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется двуполярное питающее напряжение. ОУ характеризуются очень большим (десятки — сотни тысяч) коэффициентом усиления, а также высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Поскольку ОУ ранее широко использовались в аналоговых вычислительных и моделирующих устройствах, выполняя операции суммирования, вычитания, интегрирования и дифференцирования, то оттуда и произошло их название.

«С»: Верно! Хотя будем помнить, что ОУ — прибор реальный. Собственный (иначе дифференциальный) коэффициент усиления ОУ действительно имеет величину в пределах от десяти тысяч до миллиона! Но это есть УСИЛЕНИЕ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ!

Затем, чтобы сделать выходное напряжение реального ОУ равным нулю, следует скорректировать напряжение смешения нуля, которое для разных типов ОУ лежит в пределах от десятков микровольт до пяти милливольт.

«А»: Известны две основные схемы усилителей, построенных на основе ОУ. Это ИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель и НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель.

«Н»: А что означают эти названия?

«А»: Для начала рассмотрим схему НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО усилителя, то есть такого, который НЕ МЕНЯЕТ ФАЗУ входного сигнала! Вот он представлен на рис. 17.1, б. Коэффициент усиления К = U_выx/U_вx в данном случае запишется так:

Кстати, если R_N = 0, a R1 — стремится к бесконечности, то К = 1.

«Н»: То есть в этом случае получается ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ?

И потом, если я правильно понял, для того, чтобы получить коэффициент усиления К = 100, то мне достаточно всего лишь взять отношение R_N/R1 = 99?

«А»: Это так!

«Н»: Но, в таком случае, почему бы не получить от этой же схемы значительно больший коэффициент усиления? Например 10000? Или 20000? Или даже все 50000!? К этому есть какие-то ограничения?

«А»: В идеальных ОУ — никаких. В реальных — безусловно!

«Н»: И в чем они заключаются?

«С»: Среди параметров ОУ имеется и такой, как ПОЛОСА ЧАСТОТ Так вот имеется некоторая частота f₁, при которой реальный коэффициент усиления ОУ падает до ЕДИНИЦЫ, независимо оттого каким он был ранее!

Например, для упоминаемого ранее ОУ типа (IA741 (его отечественный аналог К140УД7) частота f₁, равна 0,8 МГц. Это означает, что для К = 100 частотная полоса равна всего 8 кГц! Поэтому для расширения частотной полосы следует снижать К!

«А»: А каков выход из этой ситуации?

«С»: Только один — использовать ОУ, у которых f₁ составляет десятки мегагерц! Это, скажем, такие ОУ как К544УД2 (f₁ = 15 МГц); К154УД4 (f₁ = 30 МГц) и т. д. В настоящее время в США, Японии и Европе имеются ОУ у которых f₁ достигает сотен МГц — единиц ГГц!