Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью. За счёт наличия глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления, свойства и параметры ОУ зависит только от параметров и структуры цепи обратной связи и структуры входной цепи.

Широкое распространение операционных усилителей связано с их универсальностью (возможность построения на их основе различных электронных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения питания и др.).

Присутствие в названии слова "операционные" объясняется возможностью выполнения данными усилителями ряда математических операций - суммирования, вычитания, диф­ференцирования, интегрирования и др.

В основном используются интегральные усилители (ИОУ), что объясняется их более высокой технологичностью, надёжностью, дешевизной и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с усилителями на дискретных элементах.

На рисунке 52 изображено УГО и основные выводы ИОУ. Усилитель имеет два входа (входная цепь ОУ построена на дифференциальном усилителе) и один выход. При подаче входного сигнала на неинвертирующий вход, выходной сигнал той же полярности (фазы) – рисунок 53, а.

Рисунок 52 - Условно-графическое обозначение и основные выводы ИОУ

При использовании инвертирующего входа фаза выходного сигнала будет сдвинута на 180˚ по отношению к фазе входного сигнала (полярность изменяется на противоположную)- рис. 13,б.

Рисунок 53 – Временные диаграммы ОУ: а) – неинвертирующего, б) - инвертирующего

В случаи использования обоих входов выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений.

U_вых=К(U_вх1– U_вх2),

где К – коэффициент усиления.

Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника, обычно +15В и -15В. Остальные выводы ИОУ указывают по мере их использования.

Рассмотрим работу ИОУ на основании амплитудной (передаточной) характеристикой – рис. 54

На характеристике можно выделить линейный или рабочий участок, на котором с увеличением входного напряжения пропорционально увеличивается выходное, и два участка насыщения U⁺_нас и U^-_нас. При определённом значении входного напряжения U_вхmax усилитель переходит в режим насыщения, при котором выходное напряжение принимает максимальное значение (при значении U_п=15 В примерно U_нас=13 В) и остаётся неизменным при дальнейшем увеличении входного сигнала. Переход усилителя в насыщения приводит к большим нелинейным искажениям (рисунок 55), поэтому данный режим используется только в импульсных устройствах на ОУ.

Рисунок 54 – Амплитудная характеристика ОУ

При наличии обратной связи на входе усилителя действует входное напряжение и напряжение обратной связи, и коэффициент усиления находится по формуле

К = U_вых/ U_у, где U_у = U_вх – U_ос

Рисунок 55 – Временные диаграммы ОУ в режиме насыщения

Отрицательная ОС – напряжение обратной связи имеет противоположную полярность (фазу) по отношению к входному сигналу, и поэтому имеет знак “минус”. При глубокой ООС коэффициент усиления зависит только от коэффициента обратной связи, что позволяет избавится от влияния нестабильности параметров полупроводникового материала, на котором выполняются усилители.