16. Операционные усилители и их применение

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения–выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия. Следует отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС.

Свойства идеального оу:

• Бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (K_ОУ). Для реальных ОУ коэффициент усиления по напряжению K_ОУ составляет ~ 10⁷.

• Бесконечно большое входное сопротивление (Z_вх). Для реальных ОУ Z_вх100 ГОм.

• Нулевое выходное сопротивление (Z_вых0). Для реальных ОУ Z_вых100 Ом.

• Равенство нулю выходного напряжения (U_вых=0) при равных напряжениях на входах ( ).

• Отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель

Эквивалентная схема ОУ представлена на рис. 16.1.

Рис.16.1. Упрощенная электрическая схема простого ОУ

16.1. Основные схемы включения операционных усилителей. Инвертирующее включение оу.

Схема инвертирующего включения ОУ приведена на рис.16.2.

Рис. 16.2 Схема инвертирующего включения ОУ

Как следует из названия схемы, входной и выходной сигналы сдвинуты друг относительно друга на 180⁰.

При анализе работы схемы будем полагать, что ОУ является идеальным. Поскольку коэффициент усиления ОУ стремиться к бесконечности, то:

.

(16.1)

Потенциал в точке а равен нулю, а, следовательно, и потенциал в точке b тоже должен быть равен нулю, поскольку (16.1). Считая, что , а имеем:

; .

(16.2)

Пренебрегая входными токами ОУ, имеем:

.

(16.3)

Минус перед правой частью равенства (16.3) означает, что вход инвертирован. Как видно из (16.3), коэффициент усиления схемы для идеального ОУ не зависит от собственного коэффициента усиления микросхемы ОУ ( ), который является нестабильным. Выбирая сопротивления и (или отношение этих сопротивлений ) высокостабильными, можно обеспечить высокостабильный коэффициент усиления схемы.

Входное сопротивление схемы равно сопротивлению .

Выходное сопротивление:

.

(16.4)

В схеме инвертирующего включения выходное сопротивление составляет доли омов. При увеличении глубины ООС выходное сопротивление уменьшается. Таким образом, рассматриваемую схему нельзя нагружать на низкоомную нагрузку: поскольку выходной ток неограниченно возрастает ОУ выйдет из строя. Минимальная величина нагрузки, на которую допустимо нагружать такую схему составляет и является справочным параметром.

Для уменьшения напряжения дрейфа используют схемы установки нулевого уровня. Вариант такой схемы для инвертирующего включения ОУ приведена на рис. 16.3.

Рис.16.3. Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ с установкой нулевого уровня