Глава 2 Усилители электрических сигналов на операционных усилителях

2.1. Операционные усилители

Усилители постоянного тока в виде микросхем, обладающих большим входным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления (до 106), называются операционными усилителями.

Операционные усилители применяются в генераторах и стабилизаторах, активных фильтрах, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, электронных аналоговых измерительных приборах, медицинской аппаратуре, для усиления слабых сигналов с технологических датчиков, например от термопары, преобразующей температуру в небольшую ЭДС.

У операционного усилителя два входа — неинвертирующий и инвертирующий. На них знак входного напряжения соответственно совпадает и противоположен знаку выходного напряжения.

Различают масштабирующий, суммирующий, дифференцирующий и интегрирующий усилители. Для выполнения этих операций необходимо ввести цепь обратной связи и соответствующие дополнительные элементы.

Рис. 2.1. Масштабируемый усилитель

В масштабирующем усилителе (рис. 2.1.) входное напряжение uвх умножается на постоянную величину k. Инвертирующий вход операционного усилителя ОУ, где входное напряжение противоположно по знаку выходному напряжению, помечают кружком ○. В данном случае операционный усилитель ОУ дополнен двумя резисторами Rвх и Rос. Через резистор Rвх входное напряжение uвх поступает на усилитель. По резистору Rос в цепи отрицательной обратной связи выходное напряжение ивых подается на вход усилителя. Поскольку входное сопротивление усилителя

очень велико, на входе ток i1 ≈ 0. Поэтому iвх ≈ –iос (рис. 2.1.). Напряжение u1 намного меньше входного uвх и выходного uвых, так как коэффициент усиления весьма большой. Значит, iвх = uвх/Rвх, iос = uвых/Rос. Приравнивая друг к другу значения тока, можно найти, что

uвых = –(Rос/Rвх)uвх = –kuвх,

где k = Rос/Rвх. При k > 1 данный усилитель выполняет умножение, при k < 1 — деление.

На единственный вход суммирующего усилителя через несколько одинаковых резисторов Rвх поступают напряжения uвх1, uвх2, ... Выходное напряжение

uвых = (Rос/Rвх)(uвх1 + uвх2 + ...).

В дифференцирующем усилителе на входе включен конденсатор Свх, в цепи обратной связи — резистор Rос (рис. 1.2а). Значения тока

iвх = Свх(duвх/dt), iос = uвых/Rос,

причем iвх = –iос. Выходное напряжение пропорционально первой производной входного:

uвых = RосCвх(duвх/dt).

Усилитель этого вида можно применять в качестве активного фильтра, не пропускающего на выход напряжение низких частот.

Интегрирующий усилитель (рис. 1.2б), на входе которого включен резистор Rвх, а в цепи обратной связи — конденсатор Сос, производит интегрирование входного напряжения. Токи

iвх = uвх/Rвх, iос = Cос(duвых/dt),

и поскольку iвх = –iос, то выходное напряжение пропорционально интегралу от входного:

uвх = .

Такой усилитель применяется, например, в генераторе линейно изменяющегося напряжения для получения фазового сдвига на синусоидального напряжения и в качестве фильтра, не пропускающего напряжение высоких частот.

Операционные усилители — основа устройств, производящих сравнение аналоговых величин. Операционные усилители с нелинейными амплитудными характеристиками применяются также для возведения напряжения.

Рис. 2.2. Усилители:

а – дифференцирующий; б – интегрирующий