Тема 8. Операционный усилитель

Операционный усилитель, как и любой другой усилитель, предназначен для усиления мощности входного сигнала. Название «операционный» он получил от аналогов на дискретных компонентах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ.

В настоящее время операционные усилители, выполняют в виде интегральных микросхем.

ЗАПОМНИТЕ:Идеальным операционным усилителем будем называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и одним выходом (рис. а)), имеющий бесконечно большой коэффициент усиления напряжения (на схеме обозначено «►∞»), бесконечно большое входное сопротивление и нулевое выходное сопротивление, т. е. К_U. = ∞, Rвх = ∞, R_ВЫХ = 0.

Интегральные операционные усилители являются универсальными, выполняющими не только математические операции, но и генерирующими, усиливающими и преобразующими сигналы.

Результирующие характеристики устройства определяются только параметрами компонентов цепи внешней обратной связи В операционном усилителе в качестве входного используется дифференциальный усилительный каскад, применение которого повышает стабильность выходного потенциала усилителя а также расширяет его возможности благодаря наличию двух входов.

В зависимости от того, находится ли входной сигнал в противофазе или в фазе с выходным, различают инвертирующий (обозначен знаком инверсии «О» на рис.а) и неинвертирующий (Вх2) входы.

Для питания операционного усилителя обычно используют два разнополярных источника и Е₁— Е₂, позволяющие получит выходной потенциал, равный в состоянии покоя нулю.

Рис1:а,б,в,г(слева направо)
-коэф. усиления в усилителя с отрицательной обратной связью
Базовый ОУ	Неинвертирующий	Инвертирующий	Суммирующий

В операционном усилителе внешние цепи обратной связи могут быть подключены к различным точкам микросхемы, в результате этого можно собирать самые разнообразные устройства на базе одного и того же усилителя. Так как операционные усилители выполняют на базе дифференциальных усилительных каскадов, то они характеризуются теми же параметрами, что и дифференциальные усилители.

Одним из основных параметров операционного усилителя является дифференциальный коэффициент усиления напряжения К_U. Как правило, он очень высок и достигает нескольких миллионов. Операционные усилители обладают весьма высоким входным сопротивлением (нескольких сотен килоом) и низким выходным сопротивлением (R_ВЫХ составляет от десятков до сотен Ом).

Для построения линейных усилителей применяют операционные усилители с отрицательной обратной связью. В зависимости от того, на какой из входов подается напряжение входного сигнала, различают неинвертирующий и инвертирующий усилители.

В неинвертирующем усилителе (рис б) фазы сигналов на входе и выходе одинаковы. Входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя через резистивный делитель R ₁ — R ₂ на инвертирующий вход подается напряжение отрицательной обратной связи отрицательной обратной связи.

Обычно выполняется условие R₂ >> R_ВЫХ и R₁≤ R_ВХ.

Коэффициент усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью

,

где γ = R₁/(R₁ + R₂), К_U, К_UБС — коэффициенты усиления усилителя с обратной связью и без нее.

Таким образом, усиление усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, зависит только от соотношения сопротивлений внешних резисторов и не зависит от коэф-фициента усиления самого операционного усилителя. Поэтому коэффициент усиления такого усилителя очень стабилен Выбирая соответствующим образом значения сопротивлений R₁ и R₂, можно обеспечить необходимый коэффициент усиления.

При построении инвертирующего усилителя (рис. в) входной сигнал и сигнал обратной связи подаются одновременно на инвертирующий вход, а другой вход обычно заземлен. Если пренебречь входным током операционного усилителя, то входной ток i₁ и ток обратной связи i₂ в указанном усилителе должны быть равны, т. е. i₁ = i₂. Так как коэффициент усиления интегрального операционного усилителя очень велик, то дифференциальный сигнал на его входе u_вх.д очень мал. Действительно при К_UБС →∞ u_вх.д = u_вых / К_UБС → 0.

Поэтому можем считать, что u_вх.д = R₁ i₁, u_вых = — R₂ i₂

Знак минус показывает, что фаза сигнала на выходе противоположна фазе входного сигнала, т. усилитель является инвертирующим. Учитывая условие равенства токов, находим К_U = u_вых / u_вх = — R₂/ R₁

Полученные выводы позволяют построить схему усилителя, осуществляющего суммирование входных напряжений. Для этого несколько входных сигналов (например, три) через одинаковые резисторы R₁одновременно подаются на инвертирующий вход усилителя, как показано на рис. г.

Полагая, что входной ток операционного усилителя близок нулю, составим уравнение токов для узла

Выразим отдельные слагаемые входных токов через значения входных напряжений , , Учитывая выражение для тока обратной связи составим уравнение для напряжений:

Отсюда можно найти выходное напряжение

Таким образом, значение выходного напряжения пропорционально сумме входных напряжений.

Операционный усилитель, включенный цепь с тремя входами, выполняет алгебраическую операцию сложения напряжения и поэтому называется сумматором.

Ранее с помощью операционных усилителей осуществлялись математические операции над аналоговыми величинами.Упрощенные схемы устройств, реализующих эти функции приведены ниже

Рис2:а,б,в,г(слева направо)
Логарифмический	Интегрирующий	Дифференцирующий	Суммирующий