2018-03-09
105
Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к воображаемому «идеальному усилителю». С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства:
· бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А→∞);
· бесконечное полное входное сопротивление (Zвх→∞);
· нулевое полное выходное сопротивление (Zвых→0);
· равенство нулю выходного напряжения (Uвых= 0) при равных напряжениях на входах (U1= U2);
· бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).
На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью.
На самом деле такие усилители давно разработаны и даже изготовляютсяпо интегральной технологии миллионными тиражами. Любой справочник по
аналоговым интегральным микросхемам дает вам возможность выбрать усилитель, подходящий по коэффициенту усиления (до 100 000 и выше) по напряжению питания (как правило, от 5 В до 15 В) по мощности выходного сигнала и т.д. И хотя они усиливают сигнал переменного напряжения не хуже, чем постоянную составляющую, их часто называют усилителями постоянного тока(УПТ) или операционными усилителями (ОУ) «Постоянного тока», чтобы подчеркнуть эту их особенность. Ведь в обычных усилителях, которые мы рассматривали, разделительный конденсатор не пропустит постоянный сигнал.
|
|
|
Усилитель назван «операционным» потому, что при небольших добавленияхэлементов снаружи мы можем заставить его выполнять многие операции, в частности, математические: сравнивать, складывать, дифференцировать, интегрировать входные сигналы и создавать свои сигналы заданной формы, т. е. бытьгенератором синусоидальных, прямоугольных и другой формы импульсов. Всеэто разнообразие функций можно получить применением определенного видавходных цепей и обратных связей. Сам операционный усилитель обычно изображается так (рис. 4.1.а)
Рис. 4. 1. Операционный усилитель
Слева две линии показывают два входа усилителя: прямой, помеченный знаком «+», и инверсный. Справа из вершины треугольника показывается выход усилителя. Другой вариант обозначения дан на рис. 4.1. б. Если сигнал подается на прямой вход относительно общей шины (корпуса), усиленный в Ku раз, он должен появиться на выходе с тем же знаком. Если же он поступает на инверсионный вход, то меняет к тому же знак (полярность). При использовании только одного входа, второй соединяется с общей шиной (как правило, «0» питания или «корпус»). При подробном описании на схеме еще показывают провода, подводящие питание усилителя, как правило, двухполярное, корректирующие цепочки для устранения самовозбуждения и улучшения частотной характеристики. Мы же, изучая только принцип функционирования, не будем загромождать чертеж их изображением. При изучении функциональных узлов надо помнить, что напряжение на выходе усилителя не может быть вышенапряжения питания. Так если усилитель запитан напряжением UП = ± 5 В, то и выходное напряжение не может выйти за пределы ± 5 В. Это значит, что на непосредственном входе усилителя, напряжение не должно превышать по абсолютной величине 5/K′u В. Учитывая, что K′uимеет порядок сотни тысяч, входное напряжение u′вх не должно превышать нескольких микровольт.
|
|
|
Сумматор
Если мы подадим на вход усилителя несколько напряжений uвх1, uвх2 и т. д.через соответствующие резисторы с сопротивлениями R1, R2 и т. д., то по первому закону Кирхгофа получим, что ток в сопротивлении R0 будет представлять собой сумму входных токов: (рис. 4.2).
. 
Рис. 4. 2 Сумматор на УПТ
Выходное напряжение, примерно равное падению напряжения на сопротивлении R0, будет найдено как
)
На выходе усилителя получаем напряжение, которое представляет собой сумму входных напряжений, каждое из которых входит в нее со своим масштабным коэффициентом R0/Rк. При равенстве всех Rк величине R0,т.е
. Получим
т. е. просто суммирование входных сигналов.
Интегратор
Поместим в цепь обратной связи конденсатор емкостью С (рис. 4.3)
Рис. 4. 3 Интегратор
Входной ток и ток в цепи обратной связи по-прежнему будет определяться выражением 
Напряжение же на выходе теперь будет определяться напряжением на емкости:
,
где uc (0) – напряжение на емкости к моменту t=0, с которого мы начали отслеживать изменение этого напряжения;
– заряд ∆q, которым ток i0 в течение времени t дозарядил конденсатор.
. При uc(0)=0 получаем, что выходное напряжение равно интегралу входного с коэффициентом CR 1, uc(0) – играет роль постоянной интегрирования или начальных условий при взятии несобственного интеграла от 0 до t.
