71. Операционные усилители их характеристики и параметры, примеры применения:

усилитель постоянного тока, сумматор, интегратор, дифференциатор, компаратор

Операционный усилитель (ОУ) - это многокаскадный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом , по своим характеристикам приближающийся к "идеальному усилителю"(рис. 1.1): -бесконечный коэффициент усиления по напряжению   ; -бесконечное полное входное сопротивление  ; -нулевое полное выходное сопротивление  ; -равенство нулю выходного напряжения при равных напряжениях на входе (U1=U2); -бесконечная ширина полосы пропускания ( отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

Рисунок 1.1 - Эквивалентная схема ОУ

ОУ в настоящее время достаточно широко используется в медицинской аппаратуре в различных схемах, предназначенных для обработки аналоговых сигналов. Благодаря огромному дифференциальному коэффициенту усиления и введению обратных связей различной конфигурации, на базе ОУ удается строить усилители, преобразователи, генераторы, фильтры и т.д. с характеристиками , удовлетворяющими требованиям медицинского приборостроения.  Как показано на рис. 6.2 первый каскад ОУ – это дифференциальный усилитель. Он имеет высокий коэффициент усиления по отношению к дифференциальному сигналу и низкий по отношению к синфазному.

Рисунок 1.2 - Блок-схема ОУ

На упрощенной принципиальной схеме ОУ(рис. 1.3) дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1,VT2,VT3. Вход 1 называют инвертирующим, так как при заземленном входе 2 сигнал, поданный на инвертирующий вход на выходе окажется сдвинутым по фазе на 1800. При подаче сигнала на вход 2( неинвертирующий вход) выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе.  За входным каскадом следует один или несколько промежуточных, которые обеспечивают усиление входного сигнала по току и напряжению. На рис. 1.3 в качестве промежуточного каскада используется дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VT5.  Оконечный каскад имеет низкое выходное сопротивление ОУ и обеспечивает ток, достаточный для питания ожидаемой нагрузки. Обычно в качестве оконечного каскада используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель (транзисторы VT7,VT8 на рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Упрощенная схема ОУ

При построении схем на операционных усилителях необходимо принимать в расчет некоторые основные параметры, которые характеризуют ОУ. К ним относятся :

 Входное напряжение сдвига (U_сдв).Вследствие неточного согласования входных транзисторов на выходе ОУ появляется напряжение при нулевом напряжении на входах. То напряжение , которое необходимо приложить ко входам, чтобы на выходе установился 0В, называется входным напряжением сдвига;

 Входной ток смещения (I_см). Ток на входах операционного усилителя , необходимый для работы входного каскада ОУ;

 Входной ток сдвига (I_сдв). Разность входных токов смещения;

 Входное сопротивление (R_вх).Сопротивление ОУ по отношению ко входному сигналу. Различают дифференциальное входное сопротивление,т.е. сопротивление между двумя входными выводами, синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими выводами входов и землей. Rвх может достигать нескольких сотен MОм;

 Выходное сопротивление (R_вых).Внутреннее сопротивление усилителя. Обычно не превосходит нескольких сотен Ом.

 Коэффициент ослабления синфазных сигналов (КОСС).Характеризует способность ослаблять синфазные входные сигналы.

 Ток потребления. Ток покоя (без нагрузки), потребляемый операционным усилителем;

 Максимальная скорость нарастания входного напряжения (V).Максимальная допустимая скорость нарастания входного напряжения в Вольтах на микросекунду;

 Предельно допустимые значения .Максимальные значения параметров, превышение которых приводит к повреждению ОУ. Все перечисленные параметры приводятся в паспорте операционного усилителя. В паспорте могут приводиться и ряд дополнительных параметров, более полно характеризующих возможности ОУ.

Усилителями постоянного тока называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала. Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания.

Сумматор — устройство, преобразующее информационные сигналы (аналоговые или цифровые) в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.

Интегра́тор, блок интегрирования — устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Дифференциа́тор, устройство дифференцирующее — аналоговый функциональный блок в АВМ структурного типа.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство^[1]) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.