Операционный усилитель (ОУ) – это унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, как правило, выполненный в виде интегральной схемы. Он успешно применяется, как при решении многих технических задач (усиление и преобразование сигналов, стабилизация напряжения и тока и т.п.), так и при выполнении математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование и т.п.). Отсюда и название усилителя – операционный, т.е. решающий. Требование к электрическим характеристикам ОУ связаны в основном с необходимостью обеспечить: высокий коэффициент по напряжению, большое выходное и малое выходное сопротивление, линейность передаточной характеристики, высокую верхнюю частоту пропускания.
Требование у инструктивному исполнению ОУ в основном следующие: наличие двух автономных входов 1 и 2; выполнение одного из входов (1) инвертирующим (в противофазе), а другого (2) неинвертирующим (совпадение по фазе) по отношению к выходному сигналу. Обычно ОУ снабжают большим числом зажимов (до 15), необходимых для подключения дополнительных элементов контроля балансировки, коррекции частотной характеристики и других функций.
Типовая функциональная схема ОУ приведена на рис. 5.19.
Рис. 5.19. Схематическое изображение операционного усилителя:
В общем виде ОУ можно представить состоящим из четырех каскадов: входного дифференциального усилителя, имеющего симметричный вход и обеспечивающего высокую стабильность, малый шум и т.п. ; промежуточного усилителя напряжения с большим коэффициентом усиления; каскада сдвига уровня нуля и выходного эмиттерного повторителя выполненного по двухтактной схеме и обеспечивающего малое выходное сопротивление ОУ.
Можно определить следующие радиотехнические требования к идеальному ОУ:
1. Коэффициент усиления по напряжению бесконечно велик: K®¥.
2. Входное сопротивление велико: Rвх®¥.
3. Выходное сопротивление мало: Rвых®0.
Свойства схем идеального ОУ определяются только внешними по отношению к ОУ элементами. Рассмотрим несколько простейших таких схем.
Инвертирующий усилитель.
Простейшей является инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рис.5.20 (А). Инвертирующий вход ОУ соединен с выходом ОУ резистором R2, сигнал u1 подается на инвертирующий вход через резистор R1, а неинвертирующий вход соединен с землей.
А) Инвертирующий усилитель
Б) Неинвертирующий усилитель
Рис. 5.20 Усилители на основе ОУ.
Если принять коэффициент усиления ОУ по напряжению К=¥, а выходное напряжение ограничено, то U1=0, а токи определяются из выражений:
(5.20).
По первому закону Кирхгофа входной ток ОУ Io=U1/Rвх= I1+I2.
Так как U1®0, a Rвх®¥, Io также равен нулю и I1= - I2. Выражая токи с помощью (5.20), получаем коэффициент усиления схемы:
(5.21).
Знак «минус» означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Отметим, чтобы реальный ОУ работал как идеальный, необходимо выполнение соотношений:
(5.22),
где RH — сопротивление цепи нагрузки. Погрешность коэффициента усиления схемы в результате невыполнения этих условий определяется по следующим формулам:
(5.23).
Входное сопротивление схемы для источника сигналов определяется сопротивлением R1, т. е. Rвх=R1.
Неинвертирующий усилитель.
Здесь (рис. 5.20 (Б)) входной сигнал подается на вход (+), а по инвертирующему входу осуществляется обратная связь. Коэффициент передачи цепи обратной связи
. (5.24).
Знак «минус» поставлен потому, что обратная связь подается на инвертирующий вход. Коэффициент передачи всей цепи (коэффициент усиления) равен:
. (5.25).
Входное сопротивление схемы из-за наличия отрицательной обратной связи возрастает: , a выходное сопротивление уменьшается.