8.11. Операционные усилители
Операционным усилителем (ОУ) называют высоко качественный дифференциальный усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Обычно это интегральная схема, которая после подключения к ней указанных в паспорте уровней напряжения питания (а иногда и некоторых элементов для коррекции частотной характеристики) становится усилителем со следующими характеристиками:
- полоса от нуля до fB; большое входное сопротивление;
- большой коэффициент усиления (до 104 - 105 и даже более);
- большой коэффициент ослабления синфазных помех (до 103 - 104);
- малый шум; малый сдвиг нулевого уровня на постоянном токе;
- малые изменения характеристик в зависимости от температуры и времени;
- низкое выходное сопротивление;
- сравнительно большой размах выходного напряжения.
Естественно, что каждое из перечисленных достоинств проявляется в раз личной степени у ОУ разных марок.
Сигнал па выходе операционного усилителя с дифференциальным входом (рис. 8.17), Uвых=К0uвх=К0(uп-uи), (8.62)
где Ко - коэффициент усиления ОУ; напряжения отсчитываются от общего (нулевого) уровня.
С целью
упрощения анализа схем с ОУ последние
часто идеализируют.
Идеальный ОУ
обладает следующими
параметрами:
;
;
Rвых=0;
полоса пропускания
от нуля до бесконечности. Из (8.62) следует:
uвх=uп-uи=uвых/Ко,
т. е. напряжение на дифференциальном
входе ОУ в линейном
режиме практически равно
нулю при любом выходном напряжении.
Рис. 8.17. Обозначение операционного усилителя с дифференциальным входом
Рассмотрим некоторые простые устройства с ОУ.
Инвертирующий
усилитель
(рис. 8.18а). В
соответствии
с обозначениями на рисунке через
сопротивление обратной
связи протекает ток
,
(8.63)
через Rl
- ток
.
(8.64)
Рис. 8.18. Инвертирующие (а,б) и неинвертирующие (в,г) включения операционных усилителей
В случае идеального ОУ iос=i1. Следователю,
.(8.65)
Напряжение на неинвертирующем входе равно нулю, поэтому uи=uвх=0 и из (8.65) поучаем
.
(8.66)
Неинвертирующий усилитель (рис 8.18в). Согласно обозначениям на рисунке
.
(8.67)
Для идеального ОУ ioс=i1 и из (8.67) следует
.
(8.68)
Выражения (8.66) и (8.68) показывают, что на основе ОУ выбором сопротивлений R1 и Roc можно простым способом реализовать инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения с требуемым коэффициентом усиления, в частности аналоговый инвертор (рис 8.18б) и повторитель напряжения (рис 8.18г).
Рис. 8.19. Дифференциальные усилители на базе ОУ: простой (а), с большим входным сопротивлением (б)
На рис 8.19а показан простой дифференциальный усилитель на базе ОУ Если на каждом из его входов разместить повторитель па ОУ (рис 8.19б), то входные сопротивления схемы возрастут. Усилитель такого типа называют потенциометрическим дифференциальным усилителем. При принятых на рис. 8.19 обозначениях коэффициенты усиления обеих схем по инвертирующему и неинвертирующему входам равны соответственно К и –К.