7.12 Операционные усилители

Под операционным усилителем (ОУ) понимают высококачественный усилитель напряжения, предназначенный для выполнения самых разнообразных функций.

Интегральные ОУ обычно строятся по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами (рисунок 70).

Напряжение, непосредственно приложенное между входами, равно разности . Причем это напряжение равно нулю. Поэтому напряжения по отношению к общей точке называются напряжениями общего вида, а их разность дифференциальным напряжением.

Выпускаемые ОУ характеризуются большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, и низким выходным сопротивлением.

Представляя ОУ идеальной моделью: считают, что  , . Кроме того к основным признакам идеального ОУ следует отнести: бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты ; постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот.

Перечисленных свойств ОУ полностью достигнуть нельзя, т.к. нельзя получить на выходе усилителя сигнал бесконечно большой мощности при малых размерах структуры микросхемы.

7.13 Структурные схемы операционных усилителей

В настоящее время наиболее широко применяются трехкаскадные и двухкаскадные ОУ.

В состав трехкаскадных ОУ входят дифференциальный усилитель, усилитель напряжения и усилитель мощности. В состав двухкаскадных усилитель напряжения и усилитель мощности.

Дифференциальный усилитель работает в режиме микроамперных токов. УН – работает в режиме микроамперных токов но со значительным коэффициентом усиления. В УМ потребляющем основную часть тока всего усилителя, окончательно формируется амплитуда выходного сигнала. Общий коэффициент усиления может достигнуть 100 тысяч и более.

Схема имеет два источника питания, общая точка которых заземлена. К входу усилителя прикладывается напряжение от источника дифференциального сигнала, при этом является дифференциальным сигналом независимо от того, какой из выводов усилителя заземлен (рисунок 72) .

Как входное так и выходное напряжения могут симметрично изменятся относительно нуля (быть биполярными). 1 – при заземленном неинвертируемом входе, 2 – при заземленном инвертируемом входе.

7.14 Применение операционных усилителей

Традиционными областями применения ОУ является решающая аналоговая техника, аппаратура обработки сигналов, радиовещательные устройства и др., в которых часто требуется выполнение операторных уравнений при замыкании выхода ОУ на инвертирующий вход с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.

Сумматор.

На вход подаются через ; ; входные сигналы ; ; . Кроме того в точку Р через подается часть выходного напряжения .

Суммарное напряжение на входе усилителя (в точке Р) определяется равенством (рисунок 73,а)

,

где .

При наличии одинаковых сопротивлений на выходе получают алгебраическую сумму напряжений. Пример: микшер – сигналы с трех микрофонов, которые должны усиливаться общим усилителем.

. Таким образом, выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений.

Масштабный усилитель.

Назначение усилителя – изменение масштаба электрической величины посредством умножения входного сигнала на некоторый постоянный коэффициент, (рисунок 73,б).

Уровень выходного напряжения (масштаба) устанавливается соотношениями сопротивлений и весового коэффициента.

Интегрирующий усилитель (интегратор).

Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения, можно получить заменой активного сопротивления обратной связи в масштабном усилителе конденсатором С (рисунок 74,а)

Во время переходного процесса в цепи R, C, протекающего при подаче на вход схемы сигнала , усилитель работает в линейном режиме. Этому режиму соответствует процесс интегрирования. Если принять, что , то в схеме существует полная отрицательная связь и . Поэтому ток, протекающий через резистор R, определяется по формуле .

Так как ток идеального ОУ не втекает, то и напряжение на конденсаторе или, что то же самое, на выходе усилителя определяется выражением

,

Если к входу ОУ приложить напряжение в виде скачка с постоянной амплитудой , то

,

где – постоянная времени интегратора.

В соответствии с выражением интегрирующий усилитель можно использовать для получения линейно–изменяющегося напряжения, что применяется при проектировании высокоточных генераторов пилообразного напряжения на ОУ.

Дифференциальный усилитель (дифференциатор).

Так как все напряжение источника выходного сигнала практически приложено к конденсатору С , то значение тока , протекающего через конденсатор, определяется как (рисунок 74,б)

По, той же причине, что и для интегратора, и

,

где – постоянная времени дифференциатора.

Поскольку емкость С может быть достаточно малой, дифференциатор является усилителем высокочастотных сигналов.

Компаратор напряжений

Компараторное включение ОУ используется для сравнения напряжения источника сигнала с опорным сигналом . Компараторный режим ОУ обычно используется без внешних цепей отрицательной обратной связи с подачей сравнивающих сигналов на один или оба входа усилителя (рисунок 75,а).

В промежутке от выполняется неравенство поэтому и напряжение на выходе компаратора .

В момент времени входной сигнал достигает порогового значения

а затем превышает его, чему соответствует наличие отрицательного потенциала на инвертирующем входе ОУ сопровождающийся переключением компаратора в другое состояние, при котором .

Моменту времени , при котором выполняется равенство соответствует неустойчивый линейный режим усилителя компаратора (рисунок 75,б)

При этом наклон переходной характеристики определяется собственным коэффициентом усиления . Поэтому отсутствие в ОУ ООС способствует увеличению скорости переключения компаратора.

Точность сравнения напряжений увеличивается с увеличением их амплитуд. Сопротивление балансирующего резистора в цепи неинвертирующего входа определяется по формуле

.

Логарифмический усилитель

Логарифмическая передаточная функция реализуется включением в цепь ООС ОУ р – n перехода (рисунок 76).

ВАХ которого описывается . Для идеального ОУ и ,с учетом этого имеем , откуда .

Таким образом, из этого уравнения получим:

.