9.1. Идеальный операционный усилитель

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и упрощения их анализа в дальнейшем будем использовать понятие идеального операционного усилителя. Идеальный операционный усилитель имеет следующие свойства:

а) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_V =ΔV_OUT =/Δ(V_p – V_n) (у реальных ОУ K_V лежит в пределах10³…30・10⁶);

б) нулевое напряжение смещения нуля V_OFF, т. е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю независимо от синфазного входного напряжения (у реальных ОУ V_OFF, приведенное к входу, находится в пределах (1 мкВ … 50 мВ);

в) нулевые входные токи по обоим входам (у реальных ОУ они лежат в пределах от сотых долей пА до единиц мкА);

г) нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

д) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

е) мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения лежит в пределах от единиц нс до сотен мкс).

Операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться, по крайней мере, вплоть до частоты единичного усиления f_Т, т. е. частоты,

при которой |K_V| = 1. На рис.7.2 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скорректированного операционного усилителя.

Рис.9.2. Типичная ЛАЧХ операционного усилителя

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

где K_V — дифференциальный коэффициент усиления ОУ по постоянному току, частота f_П, соответствует границе полосы пропускания на уровне 3 дБ. В диапазоне частот от f_П до f_Т модуль коэффициента усиления обратно пропорционален частоте, что приводит к простому соотношению

K_Vf_П=f_Т

Иными словами, частота единичного усиления f_Т равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Следует иметь в виду, что это утверждение справедливо только для усилителей с полной внутренней коррекцией.

9.2. Основные схемы включения операционного усилителя

9.2.1. Дифференциальное включение

На рис.9.3 приведена схема дифференциального включения ОУ.

Рис.7.3. Дифференциальное включение ОУ

Выходное напряжение усилителя при таком включении

При выполнении соотношения R₁R₄=R₂R₃

V_OUT = (V₁-V₂)R₂/R₁

9.2.2. Инвертирующее включение

При инвертирующем включении (рис.9.4) неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.

Рис.9.4. Инвертирующее включение ОУ

Выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Для этой схемы коэффициент усиления входного сигнала по напряжению в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше единицы, так и меньше единицы.

K = V_OUT/V₂ = R₂/R₁

Входное сопротивление схемы R_IN = R₁.