Интегральные микросхемы операционных усилителей и их применение

Интегральная микросхема операционного усилителя, как самостоятельное функциональное устройство, имеет следующее условное графическое обозначение:

Как видно, операционный усилитель (ОУ) имеет два входа, обозначенные знаками (-) и (+), которые называются инвертирующий вход и неинвертирующий вход, соответственно. Эти названия означают, что сигналы u1 и u2, соответственно, усиливаются с изменением и без изменения полярности, а если они подаются одновременно, то усиливается их разность. Коэффициент усиления операционного усилителя имеет величину от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч в зависимости от модели.

Основные схемы включения операционного усилителя

1. Инвертирующий усилитель.

Его схема имеет следующий вид:

Из схемы видно, что U2=-KU1, где К- коэфициент усиления микросхемы ОУ. Величина напряжения U1 определяется одновременно действующими напряжениями Uc и U2.

Применяя принцип суперпозиции, определим, что

, и решая полученное уравнение относительно U1, получим

, откуда, учетом U2=-KU1, для коэффициента усиления схемы получаем

- это выражение для коэффициента усиления схемы инвертирующего усилителя, которое, с учетом большой величины К приводится к виду (поделим числитель и знаменатель на К и найдем предел полученного выражения при К, стремящемся к бесконечности):

, из чего следует, что коэффициент усиления схемы определяется только внешними элементами, образующими в данном случае цепь отрицательной обратной связи. Величина коэффициента обратной связи, показывающая, какая часть выходного напряжения передается на вход, определяется как .

Вернемся к рассмотрению выражения для U1. Нетрудно увидеть, что U1<<Uc. С учетом этого определим входное сопротивление схемы, как Rвх=Uc/I1, где I1=(Uc-U1)/R1 Uc/R1, т.е.

Rвх=R1.

Неинвертирующий усилитель

Его схема имеет следующий вид:

Как видно из схемы, входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход подается сигнал обратной связи . При этом напряжение на выходе равно:

, откуда , где - коэффициент отрицательной обратной связи. Для коэффициента усиления данной схемы получаем: . С учетом большой величины коэффициента усиления операционного усилителя, деля числитель и знаменатель на К и осуществляя предельный переход, устремив К к бесконечности, получим следующее приближенное выражение: . Сравнив это выражение с полученным ранее для , видим, что у неинвертирующего усилителя коэффициент усиления имеет положительный знак и оказывается больше на 1. Если R2=0, Kni=1, т.е. схема превращается в повторитель напряжения.

Дифференциальное включение операционного усилителя ( усилитель разности)

Схема такого усилителя имеет следующий вид:

При выполнении условий R1=R3 и R2=R4 напряжение на выходе схемы U3=(U2-U1)R2/R1, в чем нетрудно убедиться, используя ранее полученные выражения для коэффициентов усиления сигналов для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Действительно, сигнал U1 усиливается с коэффициентом усиления -R2/R1, сигнал U2 поступает на неинвертирующий вход с коэффициентом ослабления R4/(R3+R4)=R2/(R1+R2), а затем усиливается с коэффициентом усиления 1+R2/R1=(R1+R2)/R1. После перемножения коэффициентов ослабления и усиления получаем величину R2/R1, т.е. такую же, как и для инвертирующего входа.