9.15. Операционные усилители

Операционные усилители (ОУ) представляют собой разновидность усилителей постоянного тока с верхней границей амплитудно-частотной характеристики f_в = 10²—10⁵ Гц (см. рис. 9.43, а). Свое название «операционные» усилители этого типа получили от первоначальной области их преимущественного применения для выполнения математических операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и т.д.). В настоящее время ОУ применяются при создании электронных устройств самого различного функционального назначения (стабилизация напряжения, генерация сигналов различной формы и т.д.). Операционные усилители часто выполняют многокаскадными с непосредственными связями, которые содержат несколько десятков транзисторов. На входе ОУ включается дифференциальный усилительный каскад для уменьшения дрейфа нуля, затем — промежуточные усилительные каскады для получения необходимого усиления и на выходе — повторитель напряжения для уменьшения выходного сопротивления. Разработка ОУ — сложная проблема. Однако это не затрудняет их практического применения, так как в настоящее время они изготовляются в виде интегральных микросхем.

Подобно схеме замещения дифференциального усилителя (см. рис. 9.54) входную и выходную цепи ОУ в режиме малого сигнала удобно представить схемами замещения на рис. 9.55, где К_их = 10⁴—10⁵ — значение коэффициента усиления напряжения на входе ОУ в режиме холостого хода, R_BX = 10⁴—10⁷ Ом и R_BЫX =10 — 50 Ом — входное и выходное сопротивления ОУ. Узел с нулевым потенциалом в схеме замещения выходной цепи ОУ соответствует средней точке цепи питания. На рис. 9.56, а, б приведены условные изображения ОУ.

Усилительные свойства ОУ определяют его амплитудные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам при разомкнутой цепи нагрузки (кривые 1 и 2 на рис. 9.57, а). Для типового значения ЭДС источника питания Е = 10 В насыщение транзистора повторителя напряжения выходного каскада произойдет при и_вх Е/К_их = ±(0,1 — 1) мВ. Дальнейшее увеличение напряжения и_вх не вызывает изменения напряжения на выходе.

Рис. 9.55

Рис. 9.57

Рис. 9.56

Пренебрегая малым значением напряжения насыщения и_вх.нас, введем понятие идеального ОУ, у которого коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода и входное сопротивление имеют бесконечно большие значения, т. е. К_их и R_BX . Это равносильно тому, что напряжение и ток на входе идеального ОУ в режиме усиления сигналов равны нулю

и_вх = и_вых/К_их = 0; i_вх = u_BX/R_BX = 0, (9.33)

а его амплитудные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам имеют вид ломаных линий 1 и 2 на рис. 9.57, б.

В режиме насыщения идеального ОУ напряжение и_вх 0, а ток

i_вх = 0. Если ОУ применяется в режиме усиления сигналов, то будем пользоваться его условным изображением на рис. 9.56, а, если также и в режиме насыщения, то на рис. 9.56, б. Схема на рис. 9.56, б поясняет равенство напряжений на выходе ОУ в режиме насыщения и источника питания Е или — Е.

Большое значение коэффициента усиления напряжения позволяет использовать глубокую отрицательную обратную связь для создания на основе ОУ устройств различного функционального назначения.

Сумматор напряжений. На основе неинвертирующего и инвертирующего усилителей можно реализовать неинвертирующий и инвертирующий сумматоры напряжений. Для инвертирующего сумматора напряжений (рис. 9.58) при выполнении условий (9.33) составим с учетом первого закона Кирхгофа для узла 1 и второго закона Кирхгофа для контуров, отмеченных на схеме штриховой линией, уравнение

i_oc = —u_н/R_ос = i _e1 — i_e2 = u_cl/R₁ + и_с2/ R₂

или

,

где безразмерные величины R_oc/R₁и R_oc/R₂ — «весовые» коэффициенты. Выбрав значения сопротивлений R_oc = R₁ = R₂ получим суммирование:

Рис. 9.58

Рис. 9.59

u_н = -(u_cl + u_c2).

В обобщенном виде работу инвертирующего сумматора опреде­ляет выражение

(9.34)

где R_k — сопротивление ветви 1 к п с источником сигнала, напряжение которого и_ск.

Для неинвертирующего сумматора напряжений (рис. 9.59) с уче­том (9.33) из уравнений, составленных по законам Кирхгофа, получим соотношение

или

Выбрав сопротивления резисторов R₁ и R_ос так, чтобы удовлетворялось условие (R_1: + R_ос)/2R₁ = 1, получим суммирование:

u_н = u_cl + u_c2. (9.35)

Лекция 20