Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (), высокое входное (сотни Мом) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. В качестве входного каскада ОУ используется дифференциальный усилитель, а выходным каскадом является эмиттерный повторитель. На рис. 3.19, а показано условное графическое обозначение ОУ.

Как и в ДУ, один из входов ОУ по отношению к выходу является неинвертирующим , а другой – инвертирующим ; последний обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников + и - (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). 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 .

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

. (3.41)

Передаточные характеристики (см. рис. 3.19, б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий 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, то знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению . Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение .

Допущение к упрощению при расчетах схем на ОУ.

В теории с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие “идеальный” ОУ, для которого справедливы следующие допущения:

- бесконечно большие коэффициент усиления и входное сопротивление ;

- нулевое выходное сопротивление .

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

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

. (3.42)

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

, (3.43)

что соответствует так называемому принципу “виртуального” (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего 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, что 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 неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

Инвертирующий усилитель (рис. 3.20, а).

В схеме инвертирующего усилителя входное напряжение через резистор подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи охвачен параллельной ООС по напряжению. Неинвертирующий вход усилительного каскада заземлен.

Для определения параметров инвертирующего усилителя воспользуемся первым законом Кирхгофа для токов инвертирующего входа: . Поскольку по второму свойству идеального ОУ ток =0, то . Выразив токи через соответствующие им входные напряжения, получим:

.

По первому свойству идеального ОУ напряжение , поэтому . Тогда коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

. (3.43)

Согласно формуле (3.43), изменением величины сопротивления обратной связи можно регулировать коэффициент усиления.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя существенно меньше собственного входного сопротивления ОУ. В схеме рис. 3.20,а точка подключения инвертирующего входа ОУ является виртуальным нулем, т.е. по входному сигналу она заземлена. Можно показать, что входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя:

(3.44)

Отметим, что при схема рис. 3.20,а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

Вариантом построения инвертирующего усилителя является преобразователь тока в напряжение. Это достигается при . Тогда ток и выходное напряжение .

Инвертирующий сумматор (суммирующий усилитель). Для суммирования нескольких напряжений можно использовать инвертирующее включение ОУ. На рис. 3.20,б показан инвертирующий сумматор трех напряжений.

Входные напряжения , и через резисторы сопротивлениями R подаются на инвертирующий вход ОУ. Напряжение на инвертирующем входе ОУ характеризуется виртуальным нулем. Поэтому токи , и будут определяться только соответствующими им входными напряжениями ,, и сопротивлением R:

Согласно второму свойству идеального ОУ, инвертирующий вход практически не потребляет ток. Поэтому сумма всех этих входных токов протекает только через резистор и создает на нем падение напряжения . Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив , получим:

(3.45)

Выходное напряжение сумматора равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.

В схеме инвертирующего сумматора все входные токи полностью протекают через резистор обратной связи . Поэтому токи практически не влияют друг на друга. Следовательно, и входные напряжения не взаимодействуют друг с другом, т.е. все три входа усилителя полностью развязаны. Это свойство используют для независимого смешивания (микширования) сигналов низкой (звуковой) частоты.

Неинвертирующий усилитель. В неинвертирующем усилителе входной сигнал поступает на неинверирующий вход. Инвертирующий вход охвачен последовательной ООС по току резисторами делителя , (рис. 3.21,а).

В схеме . Поскольку , то . Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

(3.46)

Можно показать, что входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и равно входному сопротивлению ОУ по неинвертирующему входу, а выходное сопротивление близко к нулю.

Если сопротивление обратной связи = 0, то , и неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения, который часто используют в радиоэлектронных устройствах для гальванической развязки различных схем.