20-03-2013_10-45-00 / 16ОУ

Операционные усилители (Аналоговые ИС)

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока, предназначенные для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. Операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход (на рис. 5-14). Входы называются «инвертирующий» и «неинвертирующий». Инвертирующий вход обозначается кружком или знаком минус. Название его говорит о том, что выходной сигнал противофазен сигналу, поданному на этот вход.

Структурная схема операционного усилителя показана на рис. 1. На входе используется дифференциальный усилитель (ДУ), который усиливает разностные (диф., противофазные) сигналы и подавляет синфазные (рис.3). Для достижения более высокого значения коэффициента подавления ДУ делают исключительно по интегральной технологии, т.е. все элементы в едином технологическом процессе, т.к. параметры резисторов и транзисторов, входящих в плечи должны совпадать. Он обеспечивает высокое входное сопротивление у ОУ. Схема сдвига уровней (рис.4) широко используется в ОУ для обеспечения нулевого постоянного напряжения в нагрузке при отсутствии входного сигнала. (чтобы не накапливалась постоянная составляющая от каскада к каскаду). Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, охваченный неглубокой положительной обратной связью, компенсирующей ослабление сигнала схемой сдвига потенциала (рис.2). Обеспечивает низкое выходное сопротивление ОУ, малый уровень искажений, широкий динамический диапазон, высокую нагрузочную способность.

Параметры операционного усилителя позволяют построить на его основе множество схем, выполняющих различные операции.

Инвертирующий усилитель (рис. 7) осуществляет усиление аналоговых сигналов с поворотом фазы на 180⁰. Коэффициент усиления определяется внешними резисторами R и R₁ (формула 30). Если на его вход подать аналоговый сигнал, например, 21, то на выходе –усиленный в К раз сигнал -22.

Неинвертирующий усилитель (рис. 8) осуществляет усиление электрических сигналов без инверсии фазы. Сигнал подается на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи на инвертирующий. Коэффициент усиления по напряжению определяется также сопротивлением внешних резисторов и формулой 25. На входе 21, на выходе -21.

Вычитающее устройство показано на рис. 14. Здесь выходное напряжение пропорционально разности входных (формула 26).

Сумматор неинвертирующий изображен на рис. 12. Выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений (формула 27), а коэффициент усиления зависит от сопротивлений внешних резисторов (ф.28).

Инвертирующему сумматору будут соответствовать рисунок 13 и формула 29.

Интегрирующий усилитель (интегратор) получают, включая в цепь обратной связи конденсатор (рис. 5). Выходное напряжение пропорционально интегралу входного (формула 24). Применяют для генерирования линейно изменяющегося напряжения (на входе15, на выходе 16, на входе 21, на выходе 19 и т.д.)

Дифференциатор (рис.6). Выходное напряжение пропорционально производной входного (формула 23). Если на вход подать синусоидальное напряжение (рис.21), то на выходе наблюдается косинусоидальное напряжение, дополнительно сдвинутое по фазе относительно входного на 180⁰ (рис.20). Если на вход 16-на выходе 15, на входе 18, на выходе 17).

Фильтр нижних частот пропускает постоянные сигналы и низкочастотные (рис. 11). Полосовой фильтр показан на рис. 10. Он пропускает сигналы в определенной полосе частот, в отличие от режекторного (заграждающего) фильтра, который наоборот, пропускает сигналы во всей полосе частот, кроме некоторой определенной.

Повторитель напряжения на рис.9. Он имеет К_U=1 и передает сигнал неизменным.