3.14.4. Основные схемы на операционных усилителях

В ид выполняемых операционными усилителями операций определяется внешними по отношению к нему элементами. От параметров операционного усилителя зависит только точность выполняемых операций. Рассмотрим наиболее распространенные схемы на основе операционного усилителя.

Инвертирующий усилитель. На рис. 3.51 изображена схема инвертирующего усилителя на идеальном операционном усилителе, который осуществляет усиление аналоговых сигналов с поворотом фазы на 180 .

В о входной цепи протекает переменный ток, действующее значение которого равно

(3.69)

т.к. идеальный операционный усилитель имеет бесконечно большое входное сопротивление.

Тогда . Следовательно, коэффициент усиления схемы:

(3.70)

Отсюда следует, что определяется внешними резисторами R1 и R2 . В современных операционных усилителях и достаточно велики, поэтому расчет по выражению (3.70) обеспечивает достаточную точность при практических расчетах.

Неинвертирующий усилитель. На рис. 3.52 изображена неинвертирующая схема на операционном усилителе. В этой схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи на инвертирующий.

Величина напряжения обратной связи:

(3.71)

Так как коэффициент усиления достаточно высок, можно считать, что

, тогда ко-эффициент усиления схемы:

(3.72)

Е сли R2 = 0 , то = 1, то схема неинвертирующего усилителя превращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлением (рис. 3.53).

Логарифмирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R2 в цепь обратной связи включают полупроводниковый диод (рис. 3.54). При этом постоянный ток во входной цепи равен:

(3.73)

Постоянный ток через диод равен :

(3.74)

Так как = , то , отсюда выходное напряжение

(3.75)

И з выражения (3.75) следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного постоянного напряжения.

Интегрирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R2 в цепь обратной связи включен конденсатор С1 (рис. 3.55).

В этом случае

Так как = , то VT1.

Отсюда

(3.76)

Дифференцирующий усилитель получается в том случае, когда резистор R1 и конденсатор С1 поменять местами (рис. 3.56).

При этом

.

Так как

= ,то

Отсюда,

(3.77)

Выводы:

1. Операционные усилители в настоящее время находят широкое применение при разработке различных аналоговых и импульсных электронных устройств. Это связано с тем, что введя цепи операционного усилителя различные линейные и нелинейные устройства, можно получить узлы с требуемым алгоритмом преобразования входного сигнала.

2. Поскольку все операции, выполняемые при помощи операционных усилителей, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определённые требования. Эти требования в основном сводятся к тому, чтобы операционный усилитель как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. Это означает, что входное сопротивление должно быть равно бесконечности (следовательно, входной ток равен нулю); выходное сопротивление должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение; частотный диапазон от постоянного напряжения до очень высокой частоты.

3. В настоящее время операционные усилители выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте режимы работы биполярного транзистора.

2. Каким образом в транзисторе происходит усиление электрических колебаний по мощности?

3. Охарактеризуйте схемы включения биполярного транзистора.

4. Нарисуйте и объясните семейство выходных характеристик транзистора в схеме с общей базой.

5. Нарисуйте и объясните семейство выходных характеристик транзистора в схеме с общим

6. эмиттером.

7. Как влияет температура на характеристики транзистора?

8. Поясните, как определяются h-параметры по характеристикам транзистора?

9. Какие существуют эквивалентные схемы транзистора?

10. Охарактеризуйте режимы работы усилительных каскадов.

11. Нарисуйте и объясните временные диаграммы работы транзистора в ключевом режиме.

12. Чем ограничивается быстродействие транзистора при работе в ключевом режиме?

13. Что такое динамические потери при работе транзистора в ключевом режиме?

14. Что представляет собой дифференциальный каскад усиления?

15. Что такое составной транзистор?