7. Операционные усилители

По разделу 3.2.7. предусмотрен тест № 7 текущего контроля и одна лабо-раторная работа № 3.

Операционные усилители (ОУ) являются одним из широко используемых элементов схемотехнических построений электронных цепей усиления сиг-налов, их суммирования, частотной фильтрации и ряда других функциональных звеньев для линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.

Первоначально операционные усилители (ОУ) предназначались для вы-полнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах, отсюда и происходит их название.

Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока в микро-схемном исполнении, имеющий два входа, образующих дифференциальный вход и один несимметричный выход. Входное сопротивление ОУ велико, вы-ходное – мало. Коэффициент усиления велик. Полоса пропускания широкая. Условное обозначение операционного усилителя и схема подключения источ-ников питания показаны на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Операционный усилитель с подключёнными к нему

источниками питания

Вход 1, обозначенный знаком «+», называется неинвертирующим. Это означает, что напряжение совпадает по фазе с выходным напряжением. Вход 2, обозначенный знаком «–», называется инвертирующим. Это означает, что напряжениеи выходное напряжениепротивофазны.

Дифференциальный вход образуется между входами 1 и 2. К нему прило-жено напряжение , равное разности. ОУ питается от двух одинаковых источников (и) или от одного источника со средней точкой, которая соединяется с общим для входа и выхода проводом. Схема ОУ выпол-няется с таким расчётом, чтобы при отсутствии сигнала на его входахи выходное напряжение. При наличии сигнала на лю-бом из входов ОУ появляется сигнал и на выходе, причём относитель-но общего провода выходное напряжение может иметь как положительную, так и отрицательную полярность в зависимости от полярности напряжения на диф-ференциальном входе.

Подача напряжения сигнала на входы ОУ осуществляется по-разному. В схеме на рис. 7.1 напряжение сигнала подаётся от двух источников, один из ко-торых подключается к неинвертирующему, а другой – к инвертирующему вхо-дам. В частных случаях напряжение одного из источников может быть равно нулю. На рис. 7.2 показана схема подачи напряжения сигнала от одного источ-ника на дифференциальный вход.

Рис. 7.2. Схема подачи напряжения сигнала на вход операционного усилителя от одного источника

Инвертирующий усилитель. Схема инвертирующего усилителя приведе-на на рис. 7.3. ОУ охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Резистор играет роль сопротивления ОС, а– сопротивления источника сигнала.

Рис. 7.3. Принципиальная схема инвертирующего усилителя

Параметры инвертирующего усилителя, коэффициент передачи и входное сопротивление определяются по соотношению

, . (1)

Выражение для выходного сопротивления не приводится, так как оно очень мало, и его можно считать практически равным нулю.

У реальных ОУ входное сопротивление не равно бесконечности и вход-ной ток не равен нулю. В результате точность предыдущей формулы снижает-ся. Для компенсации погрешности, вызванной неидеальностью ОУ, используют схему инвертирующего усилителя, приведённую на рис. 7.4.

Неинвертирующий усилитель. Схема усилителя показана на рис. 7.5. ОУ охвачен последовательной ООС по напряжению. Резисторы ииграют роль делителя ООС.

Формула для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя в предположении, что ОУ является идеальным, имеет вид

. (2)

Рис. 7.4. Схема инвертирующего усилителя, применяемая на практике

Обычно , тогда.

Рис. 7.5. Схема неинвертирующего усилителя

Повторитель (единичный усилитель). Если в схеме рис. 7.5. положить , а, то получим схему единичного усилителя.

Действительно, из выражения (2) для коэффициента усиления неинверти-рующего усилителя нетрудно получить

(3)

Очевидно, что входное сопротивление единичного усилителя, являюще-гося частным случаем неинвертирующегося усилителя, очень велико, а выход-ное сопротивление крайне мало.

Схема единичного усилителя приведена на рис. 7.6. Единичный усилии-тель из-за большого входного и малого выходного сопротивления является иде-альным согласующим устройством между источником сигнала с большим вы-ходным сопротивлением и низкоомной нагрузкой.

Рис. 7.6. Схема единичного усилителя

Операционные усилители являются одним из широко используемых эле-ментов схемотехнических построений электронных цепей усиления сигналов, их суммирования, частотной фильтрации, создания устройств согласования трактов с различающимися входными и выходными сопротивлениями и ряда других функциональных звеньев для линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.