4. Операционные усилители.

4.1. Основные свойства.

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (10⁶...10⁷), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивле­ния [6]. В качестве входного каскада ОУ используется дифференциальный усилитель, а выходным каскадом является эмиттерный повторитель. На рис.4.1. показано условное графическое обозначение ОУ.

По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующим U_H, а другой — инвертирующим U_Н ; последний обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +U_n и — U_n (на графических обоз­начениях источники питания обычно не показывают).

Рис. 4.1. Операционный усилитель:

а – условное графическое обозначение; б – передаточные характеристики

При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым вход­ным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных U₀=U_в-U_и.

Коэффициент усиления по напряжению K₀ собственно ОУ равен отноше­нию выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

Ко=U_вых/U_о (4.1)

Передаточные характеристики (см. рис.4.1б) имеют важнейшее значе­ние для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на не инвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирую­щий вход и заземлении неинвертирующего знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению K₀. Горизонтальные участки передаточных характеристик соот­ветствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выход­ное напряжение

(4.2)

В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие ко­эффициент усиления K₀= ∞ и входное сопротивление R_вх0= ∞ и нулевое вы­ходное сопротивление R_вых0= ∞.

Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

(4.3)

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

(4.4.)

Изложенное выше понятие идеального ОУ соответствует так называе­мому принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания eго инвертирующего и не инвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем, в отличие от физического замыкания, ток меж­ду виртуально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другими словами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаменталь­ные схемы включения — инвертирующую и не инвертирующую. Практически любое схемотехническое решение с применением ОУ основывается на этих включениях.