5.1. Краткие теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют интегральную микросхему (ИМС), способную усиливать постоянный ток (УПТ) и медленно меняющиеся сигналы с частотой f ≥ 0, а также усилители синусоидального тока (УСТ) [4].

Схемы на основе ОУ предназначены для выполнения математических или логических операций над аналоговыми или дискретными сигналами.

В зависимости от назначения – схемы с ОУ снабжают цепью обратной связи (ОС), которая может быть отрицательной обратной связью (ООС) (рис. 5.1,а), либо положительной (ПОС) (рис. 5.1,б).

Усилитель без цепи ОС имеет собственный коэффициент усиления по напряжению (индекс А), который при частоте f = 0 соответствует А→∞.

Цепь обратной связи в схеме служит для передачи сигнала из выходной цепи во входную цепь. При отсутствии цепи ОС схема ОУ работает как компаратор (т.е. как пороговое устройство).

Обратная связь будет отрицательной, если сигнал ОС вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным сигналом. Введение в схему с ОУ цепи ООС снижает собственный коэффициент А до требуемого практического значения К_U = 1 ÷ 500. Введение в схему с ОУ цепи ПОС наоборот, увеличивает значение коэффициента А.

Универсальный (стандартный) ОУ имеет два независимых входа, один из которых называют инвертирующим, а другой – неинвертирующим (Рис. 5.2).

Напряжение на инвертирующем входе всегда находится в противофазе (т.е. повернуто на 180^о) относительно выходного сигнала. Напряжение на неинвертирующем входе всегда совпадает по фазе с выходным сигналом (рис. 5.2,а,б).

В зависимости от используемого входа усилителям на ОУ дают наименование.

Если в схеме задействован отрицательный вход, то это инвертирующий ОУ.

Если в схеме задействован положительный вход, то это неинвертирующий ОУ.

Если в схеме задействованы оба входа, то ОУ называют дифференциальным.

Е сли сигналы, подаваемые на оба входа, имеют разные знаки, то такой сигнал называют дифференциальный сигнал. Это позволяет получить на выходе ОУ результирующий сигнал в виде суммы двух входных сигналов.

Если сигналы, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую поляр-ность (сигналы одного знака), то их называют - синфазный сигнал.

Результирующим является сигнал разности двух входных сигналов. Схема дифференциального усилителя способна работать в режиме компаратора, срав-нивая два входных сигнала (рис. 5.2,а) и выдающая результат сравнения в виде:

U_ВЫХ = (U₁–U₂)*А. (5.1)

При равенстве входных сигналов U₁ = U₂ схема усилителя должна выдать U_ВЫХ = 0. В случае нарушения равенства (U₁ ≠ U₂), схема войдет в насыщение и из схемыа усилителя превратится в схему копмпаратора.

При этом напряжение на выходе ОУ стремится к мах. (U_ВЫХ→Е_ПИТ) за счет большого коэффициента передачи (А→∞), а знак напряжения U_ВЫХ зависит от знака U_ВХ.МАХ, действующего на прямом или инверсном входе (рис. 5.2).

На один из входов схемы компаратора часто подают образцовое или опорное (U_ОП) напряжение, по отношению к которому выполняется сравнение.