3.9. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это малогабаритный, многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, логарифмирование и др. Такие усилители имеют дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 3.15, а, а его условное обозначение — на рис. 3.15,6.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и не инвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае - в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +U_п и - U_п, или один биполярный источник, средняя точка трансформатора которого соединена с общей шиной, относительно которой измеряются напряжения +U_п и - U_п, равные (±6.3)÷(±15)В.

Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.

Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, R_ос =1МОм и R₁=5 кОм, между выходом и инвертирующим входом, и соединив вход Н с обшей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 3.16, а), статическая амплитудная характеристика которого U_вых = f(U_вх) изображена на рис. 3.16, б. Максимальное значение напряжения т.е на 1÷3 В меньше напряжения питания U_п.

Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика U_вх = f(U_вых) изображены на рис. 3.16, в, г.

Коэффициент усиления инвертирующего ОУ с ООС К_и.ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов R_ос и R₁ звена ООС и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (К_и = 10⁵÷10⁶). Без обратных связей ОУ не применяется из-за его практически бесконечного значения коэффициента К_и (для идеального ОУ К_и = ∞; R_вх= ∞; R_вых = 0).

Основными параметрами ОУ наряду с коэффициентом К_и, являются:

• входное и выходное сопротивления R_вх ~ 10⁴÷10⁷Ом, R_вых. ~ 10²Ом;

• входное напряжение смешения нуля U_см (единицы милливольт);

• частота единичного усиления f₁ (единицы и десятки мегагерц), т. е. частота, при которой К_и = 1;

• скорость нарастания U_вых - (ν = 0,1÷100 В/мкс) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых.мах.}

• время установления U_вых = f(U_вх) - (t_уст= 0,05÷2 мкс) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых.мах.}

На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 3.17): повторитель (а), интегратор (б), дифференциатор (в), сумматор (г) и др.

Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств.