5.4. Операционный усилитель.
В современной электронике основным усилителем напряжения является так называемый операционный усилитель (ОУ). ОУ выполняется по интегральной технологии в виде микросхем. ОУ называется усилитель мощности, усиливающий сигналы с частотой от 0 Гц до 10-ов Гц и более, имеющий очень большой коэффициент усиления (КУ).
Таким образом, ОУ близок к идеальному
усилителю, у которого
.
Условное обозначение ОУ:
Если усиливаемое напряжение подается на прямой вход, то выходное напряжение:
При этом фаза выходного напряжения совпадает с фазой входного.
Если усиливаемое напряжение подается на инвертирующий вход, то
,
при этом выходное напряжение сдвинуто
по фазе относительно входного на 1800.
Основной характеристикой усилителя является передаточная характеристика, зависимость выходного напряжения от входного, при нулевой частоте.
В усилителях используется только линейный (наклонный) участок характеристики. За пределами этого участка выходное напряжение при изменении входного остается неизменным из-за насыщения выходных транзисторов усилителя.
.
Т.к. коэффициент усиления ОУ очень большой, а выходное напряжение ограничено, то диапазон усиливаемых напряжений очень узок (десятки мкВ до мВ), поэтому в чистом виде ОУ в качестве усилительных устройств не используются.
Для расширения диапазона усиливаемых напряжений применяют отрицательную обратную связь. Обратной связью называют части выходного напряжения на вход усилителя. Если напряжение обратной связи подается на инвертирующий вход, то такая обратная связь называется отрицательной.
Неинвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью.
Рассмотрим неинвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью.
Напряжение отрицательной обратной связи:
,
где
– коэффициент отрицательной обратной
связи.
КУ данного усилителя с обратной связью можно найти следующим образом:
,
где К – коэффициент усиления самого ОУ, КООС – коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью.
Обычно в усилителях
,
поэтому:
.
Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления и стабилизирует его значение, т.к. КООС определяется только сопротивлением этих двух резисторов.
Инвертирующие усилители с отрицательной обратной связью
Наряду с неинвертирующими усилителями широко применяют инвертирующие усилители с отрицательной обратной связью.
Т.к. входное сопротивление ОУ и КУ очень большие, то при анализе используют «принцип мнимой земли», в соответствии с которым:
,
поэтому из закона Кирхгоффа:
знак «–» означает, что У – инвертирующий.
Операционные схемы (ос).
На основе ОУ можно сделать ряд устройств с особыми свойствами:
интегрирующий усилитель (интегратор)
В ТАУ он называется И-регулятор.
Если в инвертирующем усилителе резистор R2 заменить конденсатором, то получим интегратор:
По первому закону Кирхгоффа:
.
.
Данное устройство выполняет алгебраическую операцию интегрирования.
дифференцирующий усилитель (дифференциатор).
Если в инвертирующем У резистор R1 заменить конденсатором, то получим дифференциатор.
По закону Кирхгоффа:
.
.
Таким образом, это устройство выполняет операцию дифференцирования.
сумматор.
В соответствии с первым законом Кирхгоффа:
.
Закон Ома:
.
По второму закону Кирхгоффа:
