11.11. Операційні підсилювачі і їх застосування

Серед підсилювачів інтегрального виконання значну частину складають операційні підсилювачі (ОП). Вони є підсилювачами постійного струму, мають високий коефіцієнт підсилення по напрузі (до 5•10⁶), містять диференціальний каскад на вході і емітерний повторювач або двотактний каскад на виході. Наявність двох входів при високому коефіцієнті підсилення дозволяє створювати на базі ОП функціональні вузли різного призначення (понад двісті різновидів). Функціональні особливості, характеристики і параметри пристроїв визначаються властивостями під’єднаних до ОП кіл зворотного зв'язку.

Розрахунок функціональних пристроїв базується на представленні ОП як ідеального. У такого підсилювача коефіцієнт підсилення по напрузі К_и0, вхідний опір r_вх0 і частота одиничного підсилення f_гp0 прямують до нескінченності, а вихідний опір r_вих — до нуля.

Розглянемо деякі пристрої на базі операційних підсилювачів.

1. В інвертуючому підсилювачі вхідний сигнал подається на інвертуючий вхід через резистор R1 (рис. 11.23, а). Тому вихідна напруга відрізняється по фазі від вхідної на 180°. Між виходом підсилювача і його входом включається резистор R2 і створюється негативний зворотний зв'язок. Неінвертуючий вхід з’єднується з загальною шиною джерел живлення. При великих значеннях К_и0 напруга u₀ не перевершує декількох мілівольтів.

За законом Кірхгофа, i₁=i₂+і_вх. Вважаємо операційний підсилювач ідеальним і приймаємо і_вх=0. Тоді i₁=i₂ або . Для ідеального підсилювача К_u0, тому u₀0. Тоді u_вх/R₁= —u_вих/R₂ або K_u=u_вих/u_вх= -R₂/R₁.ів.

Підбором опорів резисторів R2, R1 значення К_и можна змінювати в широких межах. При R₂=R₁ К_и= -1. Підсилювач перетворюється в інвертуючий повторювач напруги.

2. Сумуючий підсилювач утвориться шляхом створення в інвертуючому підсилювачі декількох входів (рис. 11.23, б). Співвідношення між струмами у вхідному колі підсилювача приймає вигляд:

Звідси

При R₁=R₂=R₃=R₄ u_вих= -(u_вх1+u_вх2+u_вх3). Підсилювач перетворюється в інвертуючий сумматор напруги.

Рис. 11.23. Підсилювачі сигналів на базі операційного підсилювача:

а — інвертуючий; б —сумуючий; в — неінвертируючий; г — віднімаючий

3. У неінвертуючому підсилювачі сигнал подається на неінвертуючий вхід операційного підсилювача (рис. 11.23. в). Вихідна напруга збігається по фазі з вхідною. Негативний зворотний зв'язок створюється включенням резисторів Rl, R2.

Як і в попередньому випадку, приймемо К_и0, і_вх=0, u₀=0. Тоді u_вх=i₁R₁= При R₂=0, K_u=1, u_вих=u_вх. Підсилювач перетворюється в неінвертуючий повторювач напруги.

Для підсилення тільки змінної складової напруги на вході підсилювача ставлять розділовий конденсатор. Вхідна напруга подається на один із входів або джерело його може бути приєднане між входами.

4. У віднімаючому підсилювачі керуючі напруги подаються на обидва входи операційного підсилювача (рис. 11.23, г). З виразів коефіцієнтів підсилення для інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів знаходимо:

При R₁=R₃, R₂=R₄ u_вих=(u_вх2-u_вх1)R₂/R₁. Вихідна напруга підсилювача пропорційна різниці вхідних напруг.

5. У пороговому пристрої на один із входів операційного підсилювача, наприклад на інвертуючий (рис. 11.24, а), подається постійна напруга, яку називають опорною U_оп. При U_оп>u_вх на виході підсилювача встановлюється максимально можлива негативна напруга —u_вих.max, а при U_оп<u_вх — напруга позитивної полярності +u_вих.max.Для захисту від пробою між входами включаються діоди.

6. Перетворювач струму в напругу застосовується при вимірах струмів фотоелементів, фотодіодів, зворотного струму діодів і т.д. Передбачається, що джерело струму володіє великим внутрішнім опором і струм не залежить від опору кола, що приєднується до нього. Можливе з'єднання джерела струму з інвертуючим входом операційного підсилювача (рис. 11.24, б). Для такого кола іR+u_вих=0 або u_вих= -iR.

Для підвищення точності перетворень, а отже, точності вимірів необхідно застосовувати операційні підсилювачі з малими вхідними струмами, тобто підсилювачі з польовими транзисторами на вході.

7. Прецизійний випрямляч використовується для випрямлення змінних напруг з малою амплітудою. Діоди для цих цілей непридатні, тому що для створення струму в колі діода необхідно прикласти напругу амплітудою в десяті частки вольта.

У інвертуючому підсилювачі (рис. 11.24, в) у коло зворотного зв'язку включається діод. Опір діода для струму в прямому напрямку R_пр є невеликим (сотні ом) у зворотному R_зв — високим (сотні кілоом). Тому коефіцієнт підсилення в даному підсилювачі залежить від полярності вхідної напруги. Коли полярність вхідної напруги є позитивною R_з.з.=R_зв, , при негативній його полярності R_з.з.=R_пр, . Напруга позитивної полярності підсилюється в багато разів, підсилення напруги негативної полярності незначне або його може не бути зовсім. Вихідна напруга практично виявляється уніполярною. Випрямлення можна здійснити при вхідних напругах з амплітудами в одиниці і навіть частку мілівольта.

Рис. 11.24. Пристрої на базі операційного підсилювача:

а - пороговий; б — джерело опорної напруги, в-перетворювач струму в напругу; г — прецизійний випрямляч