Интегральные операционные усилители и их применение

Интегральные операционные 
усилители и их применение

Учебное пособие  
по курсу «Схемотехника ЭВМ»

Москва, 2023

Аверченков О. Е.

2-е издание, электронное 

УДК 004.3’144:621.3.049.77(075.8)
ББК 32.973.26-04я73-1
А19

Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 230101 
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Рецензент кандидат технических наук 
доцент филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске 
В. А. Курчавый

А19
Аверченков, Олег Егорович.
Интегральные операционные усилители и их применение : учебное пособие по курсу «Схемотехника ЭВМ» / О. Е. Аверченков. — 2-е изд., эл. — 
1 файл pdf : 88 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe 
Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-363-9
Пособие предназначено для первоначального ознакомления со структурой и основными особенностями интегрального операционного усилителя (ИОУ). Изложены базовые сведения о схемотехнике входных и выходных цепей ИОУ. Приведены 
описания основных схем включения ИОУ, примеры типовых схем усилителей и 
порядок их практического расчета. Пособие можно использовать для самостоятельного изучения материала и при курсовом проектировании.

УДК 004.3’144:621.3.049.77(075.8) 
ББК 32.973.26-04я73-1

Электронное издание на основе печатного издания: Интегральные операционные усилители 
и их применение : учебное пособие по курсу «Схемотехника ЭВМ» / О. Е. Аверченков. — Москва : ДМК Пресс, 2012. — 87 с. — ISBN 978-5-94074-283-8. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность 
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные  ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-363-9
© Аверченков О. Е., 2012
© Оформление, ДМК Пресс, 2012  

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..........................................................................................................................................6

1
 Основы схемотехники ИОУ ............................................................................................7
1.1. Обратная связь в усилителях ...................................................................................8
1.1.1. Общие сведения об усилителях ..................................................................8
1.1.2. Разновидности обратной связи .................................................................10
1.1.3. Коэффициент усиления для положительной ОС ...............................11
1.1.4. Коэффициент усиления для отрицательной ОС ................................12
1.1.5. Общие свойства отрицательной ОС ........................................................13
1.1.6. Самовозбуждение усилителя .....................................................................13
1.1.7. Методы срыва генерации .............................................................................14
1.1.8. Основные требования к усилительным каскадам...............................15
1.2. Параметры усилительного каскада ......................................................................16
1.2.1. Схемы включения транзисторов ...............................................................16
1.2.2. Эквивалентная схема усилительного каскада с ОЭ ...........................17
1.2.3. Входное сопротивление схемы с ОЭ .......................................................18
1.2.4. Коэффициент усиления напряжения для схемы с ОЭ .....................18
1.2.5. Выходное сопротивление схемы с ОЭ ....................................................19
1.2.6. Схема и входное сопротивление эмиттерного повторителя ...........19
1.2.7. Коэффициент усиления эмиттерного повторителя ...........................20
1.2.8. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя ........................21
1.3. Простейшие УПТ .......................................................................................................22
1.3.1. УПТ на одном транзисторе .........................................................................22
1.3.2. Дрейф нулевого уровня УПТ .....................................................................23
1.3.3. Усилительный каскад с термокомпенсацией ........................................24
1.3.4. Дифференциальный каскад ........................................................................25
1.4. Структура и параметры ИОУ .................................................................................26
1.4.1. Описание иллюстративной схемы ИОУ ................................................26
1.4.2. Условное графическое обозначение (УГО) ...........................................27
1.4.3. Параметры входной цепи.............................................................................29
1.4.4. Параметры выходной цепи .........................................................................30
1.4.5. Передаточные параметры ............................................................................30
1.4.6. Частотные и временные параметры .........................................................31
1.4.7. Типы ИОУ .........................................................................................................32

2
 Основные схемы включения ИОУ .............................................................................33
2.1. Неинвертирующий УПТ с последовательной ООС ......................................34
2.1.1. Схема ...................................................................................................................34
2.1.2. Коэффициент усиления ...............................................................................34
2.1.3. Входное сопротивление ...............................................................................35
2.1.4. Главные особенности неинвертирующего УПТ ..................................36
2.1.5. Порядок расчета ..............................................................................................37
2.1.6. Числовой пример расчета ............................................................................37

СОДЕРЖАНИЕ
4

2.2. Инвертирующий УПТ с параллельной ООС ...................................................38
2.2.1. Схема ...................................................................................................................38
2.2.2. Коэффициент усиления ...............................................................................39
2.2.3. Входное сопротивление ...............................................................................40
2.2.4. Зависимость коэффициента β от сопротивления RИОУ ......................41
2.2.5. Главные особенности инвертирующего УПТ .......................................41
2.2.6. Порядок простейшего расчета ...................................................................42
2.2.7. Числовой пример расчета ............................................................................43
2.3. Погрешности УПТ .....................................................................................................43
2.3.1. Общие сведения ..............................................................................................43
2.3.2. Потенциальная аддитивная составляющая ..........................................44
2.3.3. Токовая аддитивная составляющая .........................................................46
2.3.4. Оценка аддитивной погрешности .............................................................47
2.3.5. Мультипликативная погрешность ...........................................................48

3
 Примеры использования УПТ .....................................................................................50
3.1. Использование инвертирующего УПТ ...............................................................51
3.1.1. Инвертирующий сумматор напряжений ...............................................51
3.1.2. Интегратор ........................................................................................................52
3.1.3. Преобразователь фототока в напряжение .............................................53
3.1.4. Устранение неинформационного смещения .........................................55
3.2. Использование неинвертирующего УПТ ..........................................................56
3.2.1. Повторитель напряжения ............................................................................56
3.2.2. Неинвертирующий сумматор напряжений ...........................................57
3.2.3. Усилитель с программируемым усилением ..........................................58
3.3. Дифференциальный УПТ с обратной связью ..................................................59
3.3.1. Усилитель разности однополярных напряжений ...............................59
3.3.2. Усилитель разности с повышенным входным сопротивлением ....60
3.3.3. Усилитель разности с повышенным коэффициентом усиления ...61
3.3.4. Измерительный усилитель разности.......................................................62
3.4. Усилитель с мощным выходным каскадом ........................................................63
3.4.1. Общие сведения ..............................................................................................63
3.4.2. Эмиттерный повторитель в режиме А ....................................................63
3.4.3. Двухтактный эмиттерный повторитель в режиме В ..........................65
3.4.4. Выбор типа транзисторов выходного каскада ......................................66
3.4.5. Достоинства и недостатки режима В .......................................................66
3.4.6. Усилитель с мощным выходным каскадом ............................................67
3.4.7. Защита выходных транзисторов ...............................................................68
3.4.8. Мощный каскад режима D   ........................................................................69
3.5. Усилители переменного напряжения ..................................................................71
3.5.1. Расчет разделительного конденсатора ....................................................71
3.5.2. Инвертирующий УНЧ..................................................................................71
3.5.3. Порядок расчета инвертирующего УНЧ ...............................................73
3.5.4. Неинвертирующий УНЧ .............................................................................73
3.5.5. Неинвертирующий УНЧ с раздельной ООС по переменному 
и постоянному токам ................................................................................................75

СОДЕРЖАНИЕ

3.5.6. Неинвертирующий УНЧ с повышенным входным 
сопротивлением .........................................................................................................76
3.6. Однополярное питание усилителей.....................................................................78
3.6.1. Сдвиг информационной составляющей .................................................78
3.6.2. Учет сдвига при обработке ..........................................................................79
3.6.3. Инвертирующий УНЧ с однополярным питанием ...........................80
3.6.4. Свойства ИОУ при однополярном включении ...................................81
3.6.5. Получение отрицательного напряжения из импульсов ...................83

Список используемых сокращений ....................................................................................85

Литература ....................................................................................................................................86

Посвящается памяти 
Михаила Борисовича Лейтмана,
бывшего заведующего кафедрой
автоматики и телемеханики СФМЭИ

Введение

Микропроцессорные системы в ряде случаев получают от датчиков 
или из линии связи сигналы низкого уровня, которые нуждаются 
перед обработкой в предварительном усилении. В настоящее время 
для этой цели используются интегральные операционные усилители 
(ИОУ), выполненные в виде микросхем. Кроме того, ИОУ входят 
в состав множества других устройств, применяемых в вычислительной технике, – генераторов, пороговых устройств, цифроаналоговых 
преобразователей (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП). 
Чтобы на практике правильно применять ИОУ, необходимо знать 
общие особенности построения входных и выходных усилительных 
каскадов, их характеристики и типовые схемы включения ИОУ. 
Данное пособие предназначено для первоначального ознакомления с основными особенностями ИОУ и ориентировано на самостоятельное изучение материала. 
Для этого в первой главе изложены базовые сведения о структуре 
усилителя, способах введения и о влиянии обратной связи (ОС) 
на характеристики. Для понимания внутреннего устройства ИОУ 
рассмотрены параметры основных типов одиночных усилительных 
каскадов и выявлены их достоинства и недостатки. Отдельно рассмотрен вопрос о нулевом неинформационном уровне, возникающем в усилителях постоянного тока (УПТ), и указаны способы его 
уменьшения. Заканчивается первая глава описанием иллюстративной принципиальной схемы ИОУ, условного графического обозначения (УГО) и основных параметров. 
Во второй главе приведены описания основных схем включения 
ИОУ (инвертирующего и неинвертирующего), определены их основные характеристики и оценены аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности реального УПТ.
Третья глава посвящена типовым примерам использования ИОУ 
при построении разных усилителей. В большинстве случаев приведены порядок и числовые примеры практического расчета рассмотренных устройств, поэтому  пособие можно использовать и при 
курсовом проектировании.

СТРАНИЦА
ГЛАВА

ОСНОВЫ 
СХЕМОТЕХНИКИ ИОУ
1

2
Основные схемы включения ИОУ
33
3
Примеры использования УПТ
50

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ИОУ
8

В этой главе приводятся основные сведения для первоначального 
знакомства с общими свойствами усилителей, которые дают опорный материал при изучении и практическом расчете более сложных 
усилительных схем.

1.1. Обратная связь в усилителях

1.1.1. Общие сведения об усилителях

Усилитель осуществляет преобразование маломощного информационного сигнала низкого уровня (напряжения или тока) в больший 
по мощности и по уровню сигнал. Главным параметром усилителя 
поэтому является его коэффициент усиления K, чаще всего определяемый как отношение приращений выходного и входного сигналов 
и показывающий, во сколько раз изменение выходного сигнала ΔYВЫХ 
больше изменения входного ΔXВХ: 

K = ΔYВЫХ/ΔXВХ. 
(1.1)

В дальнейшем входной и выходной сигналы в большинстве случаев будут представлены напряжениями. Кроме того, знак приращения Δ для простоты записи будем опускать.
По частотным свойствам усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ), способные усиливать сигналы с «нулевой» 
частотой (рис. 1.1), и усилители переменного тока. Среди последних, в свою очередь, условно выделяют усилители низкой частоты 
(УНЧ – рис. 1.2), усилители высокой частоты (УВЧ – рис. 1.2), 
избирательные (резонансные) усилители (рис. 1.3) и др. [1].

Рис. 1.1
Рис. 1.2

Рис. 1.3

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ

Основное внимание в пособии уделено более универсальным 
УПТ, потому что усилители переменного тока могут быть представлены как частный случай УПТ (см. параграф 3.5) с разделительными элементами, не пропускающими постоянный ток, такими как 
конденсаторы или трансформаторы.
В упрощенном виде усилитель, включаемый между источником 
сигнала и нагрузкой (рис. 1.4), представляется как устройство, имеющее две пары зажимов – входной и выходной.

Рис. 1.4

Способность входной цепи усилителя нагружать источник сигнала отражается на схеме входным сопротивлением усилителя RВХ. Со 
стороны выходных зажимов усилитель чаще всего представляется 
источником ЭДС, EВЫХ, зависящей от величины UВХ, и внутренним 
сопротивлением усилителя RВЫХ.

В редких случаях выходная цепь усилителя может быть изображена 
в виде источника тока IВЫХ, зависящего от входного сигнала, с параллельно включенным сопротивлением RВЫХ. 

Как видно по рис. 1.4, при усилении действуют два основных 
контура передачи электроэнергии: от источника сигнала к входной 
цепи усилителя и от усилителя к нагрузке. При этом в зависимости 
от соотношения сопротивлений каждого контура можно выделить 
(часто условно) три режима работы по входу и выходу: 
 
• токовый (при RИ >> RВХ, RВЫХ >> RН), 
 
• потенциальный (RИ << RВХ, RВЫХ << RН),
 
• мощностной (RИ ≈ RВХ, RВЫХ ≈ RН). 
Соответственно, различают усилители тока, напряжения, мощности и комбинированные усилители.
В реальном усилителе входная и выходная цепь взаимосвязаны. 
В простейшем случае они имеют один объединенный (общий) вывод, показанный на рис. 1.4 пунктиром. Наличие подобной общей