31.Операционные усилители. Инвертирующее и неинвертирующие включение.Масштабный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) - это модульный многоканальный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

С идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства: бесконечный коэффициент усиления по напряжению К_u   , бесконечное полное входное сопротивление Z_вх  , равенство нулю выходного напряжения при отсутствии сигнала на входе U_вых = 0 при U_вх = 0, бесконечно широкая полоса пропускания D _f   (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

Само название "операционный усилитель" связано с матеметическими операциями, которые в начале развития вычислительных устройств осуществлялись с помощью операционных усилителей (ОУ). Функции современных интегральных ОУ стали более универсальными, а сами ОУ, являясь источниками напряжения, управляемыми напряжением, находят широкое применение в устройствах современной электроники.

Интегральные ОУ используются в качастве инвертирующих и неинвертирующих усилителей и повторителей напряжения во многих электронных устройствах. На их основе создаются различные интеграторы, дифференциаторы и сумматоры; схемы умножения, деления, логарифмирования, антилогарифмирования. Различные функциональные преобразователи, схемы сжатия сигнала, источники постоянного тока и стабильного напряжения, компараторы, гармонические и релаксационные генераторы, активные фильтры и другие устройства в большинстве случаев раелизуются на интегральных ОУ. Многие устройства на основе интегральных ОУ имеют малые габариты, массу и стоимость.

Инвертирующее включение.    При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5). Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ (8)    Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.    Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I1 = U2 / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы Rвх = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а) идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение.    При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6). Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив в (6) U2 = 0, R3 = 0, R4 бесконечно велико. Получим: (9) Рис. 6. Неинвертирующее включение ОУ    Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале - бесконечно. Ниже будет показано, что у повторителя на реальном операционном усилителе это сопротивление конечно, хотя и весьма велико.

Масштабный усилитель на базе ОУ

Назначение этого усилителя – изменение масштаба электрической величины посредством умножения входного сигнала на некоторый постоянный коэффициент.

Если положить в схеме на рис. 3.6 R₂=R₃=∞ (усилитель с одним входом), то получим схему, показанную на рис. 3.7, для которой уравнение (3.3) принимает вид:

 

 

что соответствует назначению усилителя.

 

Рисунок 3.7 – Масштабный усилитель на базе ОУ

 

Уровень выходного напряжения (масштаб) устанавливается соотношением сопротивлении R_ОС и R₁весового коэффициента ; U_вых= МU_вх.