МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА)	Экзаменационный билет № 8 Государственный экзамен	УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой КПРЭС Сидорин В.В. «2» сентября 2016
1. Операционный усилитель. Основные параметры. Базовые схемы включения. 2. Критерии точности ТП. 3. Интегральная схема «Разговорная ИС». Назначение элементов, принцип действия.

Ответ;

1. Операционный усилитель. Основные параметры. Базовые схемы включения.

Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая ИС, на выходе которой формируется напряжение  , равное по величине усиленной разности между двумя входными напряжениями   и  . Идеальная передаточная характеристика ОУ (зависимость выходного напряжения от состояния входов) может быть представлена выражением

 

,                                            (1.1)

 

где   – коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

Большинство современных ОУ – полупроводниковые приборы, содержащие от десятков до сотен транзисторов. В первой половине 1960-х гг. широко применялись аналоговые вычислительные машины, в которых впервые использовались ОУ для выполнения различных математических операций: сложения, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования. Именно этим объясняется традиционное название этих приборов – «операционные усилители». С тех пор область применения ОУ значительно расширилась, в настоящее время они используются для решения множества задач, в частности, в системе автоматического управления современных электровозов с плавным регулированием напряжения. 

Варианты схемного обозначения ОУ показаны на рис. 1.1.

	а		б

 

 

Рис. 1.1. Обозначения операционного усилителя

 

Выходное напряжение   связано с двумя входными   и   соотношением (1.1). В идеале ОУ чувствителен только к разности двух входных напряжений  , которая называется дифференциальным входным сигналом, и абсолютно не чувствителен к сигналу, подаваемому одновременно на оба входа ОУ. Последний называется синфазным сигналом и определяется формулой  .

Степень усиления сигналов определяется коэффициентом усиления ОУ без обратной связи  , который является безразмерной величиной и имеет достаточно высокие значения, лежащие в диапазоне от   до  . Если подать на вход «+» ОУ (рис. 1.2, а) напряжение   (при  = 0), то выходное напряжение   будет равно усиленному неинвертированному входному сигналу  , т. е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Если же подать на вход «–» напряжение  (при   = 0)  (рис. 1.2, б), то выходное напряжение    равно усиленному инвертированному входному напряжению  , т. е. входной и выходной сигналы противоположны по знаку. В связи с этим вход «+» ОУ называется неинвертирующим, а вход «–» – инвертирующим.

В операционный усилитель входит большое число транзисторов, поэтому для их питания ОУ должен подключаться к источнику постоянного тока. Схема подключения к источникам постоянного тока  и  показана на рис. 1.1. Большинство ОУ питаются от сдвоенного источника питания с положительной  и отрицательной   полярностью напряжения, подключаемым к специальным выводам ОУ. Эти напряжения одинаковы по величине и противоположны по знаку. Диапазон питающих напряжений обычно лежит в пределах от  5 до  18 В. Применение сдвоенного источника питания дает возможность изменять напряжение на входах ОУ таким образом, что оно может принимать значение как выше, так и ниже нулевого потенциала. Благодаря этому на выходе ОУ формируется двуполярный выходной сигнал  .

 

б

а

 

Рис. 1.2. Обозначение входов ОУ: а – неинвертирующая схема включения;  б – инвертирующая

Существуют схемы питания ОУ от одного источника постоянного тока, однако при этом входное напряжение может изменяться только в одну сторону относительно нулевого потенциала, т. е. реализуется однополярное изменение напряжения   на выходе ОУ.

Напряжение на выходе ОУ   не может превышать напряжение   любого из источников питания. Максимально возможное выходное напряжение примерно на 1 В меньше абсолютной величины питающего напряжения, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения   становится еще меньше.

Идеальная передаточная характеристика ОУ показана на рис. 1.3.

 

–Ек

 

Рис. 1.3. Идеальная передаточная характеристика ОУ

 

На передаточной характеристике можно выделить линейную область (область усиления) ав, где в соответствии с формулой (1.1) выполняется пропорциональная зависимость между дифференциальным входным   и выходным   напряжениями. Область ав сверху и снизу ограничена областями насыщения, где выходное напряжение   ограничено напряжением питания   и не реагирует на изменение входного дифференциального напряжения. Поскольку величина коэффициента усиления   имеет достаточно высокие значения, диапазон изменения входного дифференциального напряжения весьма ограничен и может быть  определен в соответствии с формулой (1.1) выражением

 

.                           (1.2)

 

Если напряжение питания ОУ составляет, например,  10 В, то при   = 10⁵÷10⁶ величина   находится в диапазоне 20÷200 мкВ. Следовательно, для того чтобы сигнал на выходе ОУ был равен усиленному значению напряжения на входе, амплитуда входного напряжения должна быть достаточно малой. В противном случае ОУ попадает в область насыщения и выходное напряжение не повторяет входного, форма выходного сигнала будет ограничена напряжением питания, т. е. сильно искажена.