5.4. Идеальный операционный усилитель

АВМ можно построить с помощью универсальных элементов усилителей,

сумматоров, интеграторов (также как блоки ЭВМ строится из сумматоров, регистров, шифраторов, мультиплексоров и т.д.).

Эти элементы АВМ можно создать с помощью еще более простых элементов – идеальных операционных усилителей и пассивных элементов R и С (так же как узлы цифровых ЭВМ строятся из простых логических элементов И – НЕ, ИЛИ – НЕ).

Идеальный операционный усилитель (ИОУ), можно представить в видеусловной схемы:

Это, как правило, сложная схема из нескольких транзисторов, играющих роль усилителей и развязывающих повторителей. Усиливается разность сигналов, подаваемых между двумя клеммами: «+» (неинвертированным входом) и «–» (инвертированным входом), т.е. , гдеU₊-напряжение на клемме «+», U_–-напряжение на клемме «–».

Остановимся на основных свойствах ИОУ.

Это – усилитель, управляемый напряжением, ток между клеммами «+» и «–» не проходит (бесконечно большое входное сопротивление).
Это – усилитель – идеальный управляемый источник напряжения. U_вых не зависит от схемы, к которой подключен выход усилителя (бесконечно малое выходное сопротивление).
Усилитель обладает бесконечно большим коэффициентом усиления, U_вых=kU_вх=, k-практически стремится к бесконечности. Поэтому реально его можно применить в схемах, обеспечивающих, т.е.U_вх=0. Тогда U_вых имеет конечную величину.

Входные клеммы «+» и «–» имеют следующие различия. Увеличение сигнала на клемме «+» приводит к увеличению выходного сигнала, а увеличение сигнала на клемме «–» уменьшает выходной сигнал.

Эти свойства определяют схему включения операционного усилителя. Часть выходного сигнала должна подаваться на клемму «–». Тогда в случае возрастания выходного сигнала, за счет его подачи на клемму «–», он будет сам препятствовать безграничному увеличению.

Процесс устанавливается, когда потенциалы на «+» и «–» примерно одинаковые, т.е. U_вх0. Тогда, несмотря на бесконечно большой коэффициент усиления,U_вых имеет конечное значение. Таким образом, идеальный операционный усилитель работает в схемах с отрицательными обратными связями.

5.5. Аналоговые усилители, сумматоры, интеграторы

Анализ схем с идеальными операционными усилителями очень прост. Надо только помнить, что , и ток между этими клеммами практически не идет (т.е. их можно считать разомкнутыми).

Аналоговый повторитель:

Так как U_вых==U_вх, следовательно, U_вых =U_вх.

В отличие от простого соединения входа с выходом, токи из входной цепи не проходят в выходную цепь, цепи изолированы. В первую цепь может быть включен слабомощный источник, который может только создавать напряжение, но не может обеспечить большой ток. Операционный усилитель создает такое же напряжение, но может обеспечить любой ток в выходной цепи.

Аналоговый инвертор: