Операционные усилители

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:

1 — инвертирующийвход, 2 — неинвертирующий вход, 3, 4 — питание постоянным напряжением, 5 — выход

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: R_вх®¥.

3. Выходное сопротивление мало: R_вых®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 I_o=U₁/R_вх= I₁+I₂.

Так как U₁®0, a R_вх®¥, I_o 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 R_H — 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. R_вх=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 .

Поиск по сайту: