2.8.2. Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называется высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (порядка 10⁶ … 10⁷), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. В качестве входного каскада ОУ используется дифференциальный усилитель, а в качестве выходного каскада применяется эмиттерный повторитель.

Условное графическое изображение ОУ, а также передаточная характеристика показаны на рис. 2.15.

Один из входов ОУ является инвертирующим (на рис. 2.15 такой вход обозначен знаком инверсии – кружком на вводе ОУ).

Питание ОУ осуществляется от двух разнополярных источников (на условном графическом обозначении питание обычно не показывается) + U_П и - U_П. При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двухполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал.

Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу – разности входных сигналов U_ВЫХ ≡ U_ВХ1 - U_ВХ2 (U₀ ≡ U_Н – U_И ).

Коэффициент усиления по напряжению собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к входному напряжению

K₀ = U_ВЫХ/ U_ВХ = U_ВЫХ/ U₀.

Передаточные характеристики ОУ отражают возможность использования как инвертирующего, так и неинвертирующего входов усилителя. Угол наклона линейных участков определяет коэффициент усиления по напряжению, а горизонтальные участки – соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ. При этом выходное напряжение примерно равно напряжению питающих источников.

Для анализа и синтезе схем на ОУ введено понятие «идеальноый» ОУ, для которого справедливы следующие допущения:

ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления К₀ = ;

ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление R_ВХ = ;

ОУ имеет нулевое выходное сопротивление R_ВЫХ = 0.

Указанные допущения определяют два основных свойства «идеального» ОУ: дифференциальный входной сигнал равен нулю; входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала.

2.8.3. Схемы инвертирующих усилителей на базе оу

Любое схемное исполнение на основе ОУ базируется на основе использования инвертирующей или неинвертирующей схемы включения.

В типовой схеме инвертирующего усилителя входной сигнал подается через резистор R₁ на инвертирующий вход, который с помощью резистора R_ОС охвачен ООС по напряжению, а неинвертирующий вход ОУ заземлен (рис.2.16, а).

Определим параметры инвертирующего усилителя. Согласно первого закона Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла. Но для ОУ I₀ = 0, следовательно I_ВХ = I _ОС . Выразим указанные токи через соответствующие напряжения и сопротивления

.

Дифференциальный входной сигнал U₀ равен 0, поэтому

.

Откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется через отношение сопротивлений обратной связи и входа

.

При постоянном значении сопротивления R₁ коэффициент усиления можно изменять подбором сопротивления ОС.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя значительно меньше собственного сопротивления ОУ и равно сопротивлению R₁.

При R₁ = R_ОС коэффициент усиления схемы равен – 1, и усилитель превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

При R₁ = 0 инвертирующий усилитель становится преобразователем тока в напряжение:

; .

Инвертирующее включение ОУ используется для суммирования сигналов. На рис. 22.4, б представлена схема трехвходового инвертирующего сумматора. Сигналы, подлежащие суммированию, подаются на инвертирующий вход ОУ через одинаковые сопротивления R, при этом входные токи определяются только входными напряжениями:

; ; ,

а их сумма равна току, протекающему по сопротивлению ОС (согласно свойствам ОУ не потребляет ток от источника сигнала, так что I₀ = 0).

.

При R = R_ОС выходное напряжение равно инвертированной сумме входных напряжений.

Отметим, что входные токи протекают через резистор ОС, практически не оказывая взаимного влияния. Иначе говоря, все входы сумматора на ОУ полностью развязаны. Это свойство широко используется для смешивания (микширования) сигналов звуковых частот.