Раздел 4. Операционные усилители Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой высококачествен­ный усилитель постоянного тока, применяемый для реализации различ­ных функциональных операций таких, как сложение, вычитание, деление, логарифмирование, дифференцирование и другие. Благодаря интегральной технологии стало возможным изготовление ОУ, близкого по своим свойствам к идеальному. Такой усилитель имеет большой коэффициент усиления до 10⁵, большое входное сопротивление до 10⁶ Ом, малое выходное сопротивление порядка 100-200 Ом, малые собственные шумы и дрейф нуля. В настоящее время на основе интегральных ОУ выполняются генераторы синусоидальных и импульсных колебаний, источники опорных напряжений, избирательные фильтры, блоки сравнения и многие другие устройства.

В целом ОУ можно представить в виде трёх последовательно соеди­нённых каскадов (рис.7.1).

Входным каскадом является дифференциальный усилитель ДУ, кото­рый работает в режиме микротоков, имеет малый дрейф нуля, высокое входное сопротивление и небольшой коэффициент усилений по напряжению порядка 10.

Второй каскад выполняет функции усилителя напряжения УН. Обычно он имеет коэффициент усиления по напряжению более 100 и малый дрейф нуля, что достигается благодаря использованию балансной схемы усилителя постоянного тока.

Оконечный каскад ОУ является усилителем мощности УМ. Он имеет коэффициент усиления по напряжению в пределах 5-50, малое выход­ное сопротивление и обеспечивает передачу в нагрузку максимальной мощности.

Дифференциальный усилитель имеет два входа: инвертирующий (вход 1) и не инвертирующий (вход 2). При поступлении входного синусоидально­го напряжения на инвертирующий вход с выхода ОУ будет сниматься усиленный сигнал противоположной полярности, т.е. инвертированный относительно входного. Напряжения на не инвертирующем входе и выхо­де ОУ совпадают по фазе. Для удобства чтения электрических схем инвертирующий вход обозначается знаком минус, а не инвертирующий - знаком плюс.

В принципе входные сигналы могут поступать одновременно на оба входа усилителя. В этом случае выходное напряжение будет пропорци­онально разности входных сигналов, т.е. усилитель с дифференциаль­ным входом может использоваться как устройство для вычитания сигна­лов.

Схема включения дифференциального ОУ приведена на рис.7.2.

Здесь Uвх1 и Uвх2 - входные сигналы на инвертирующем и не инвертирующем входах; Rн - сопротивление нагрузки; Е1 и Е2 -источники питания.

В тех случаях, когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход (Uвх2 = 0), амплитудная характеристика усилителя имеет вид кривой I (рис.7.3). С увеличением входного напряжения от - Uвхm до Uвхm выходное напряжение изменяется пропорционально входному.

При превышении входным напряжением величины ± Uвхm происходит насыщение усилителя и выходное напряжение перестаёт изменять­ся. Вследствие большого коэффициента усиления ОУ величина Uвхm обычно не превышает единиц милливольт.

При наличии сигнала на не инвертирующем входе (Uвхm =0) полу­чаем амплитудную характеристику в виде кривой 2.

Симметричный вид амплитудной характеристики относительно нача­ла координат, т.е. возможность работы усилителя как при положитель­ных, так и при отрицательных входных напряжениях, обеспечивается ис­пользованием двух разнополярных, равных по величине источников пи­тания Е1 и Е2.

Подключая между входами и выходом усилителя соответствующие це­пи обратной связи, можно получить устройства с различными функцио­нальными возможностями. Рассмотрим некоторые из них.