Общие сведения. Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению KU = Uвых / Uвх =

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых / U_вх = 3×10³…5×10⁶ и высокое входное сопротивление R_вх = 20 кОм…10 МОм. Современные ОУ выполняются в интегральном исполнении двух- и трехкаскадными. Основу ОУ составляет дифференциальный усилитель, служащий входным каскадом, а выходной каскад – обычно эмиттерный повторитель, обеспечивающий должную нагрузочную способность.

Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: могут осуществлять усиление с постоянным коэффициентом, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, сравнение электрических величин, генерацию сигналов разной формы и др.

Для иллюстрации на рис. 5.2 приведена принципиальная схема простейшего трехкаскадного ОУ (интегральная микросхема К140УД1). Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2.

Второй каскад на транзисторах VT4 и VT6 представляет собой дифференциальный усилитель с симметричным входом и несимметричным выходом. Выходным каскадом служит эмиттерный повторитель на транзисторах VT7 и VT9. На схеме показано прохождение усиливаемого положительного сигнала, поданного на неинвертирующий вход 10.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики U_вых(U_вх) (рис. 5.3). На линейных (наклонных) участках кривых коэффициент усиления
K_U = U_вых / U_вх остается неизменным. В нелинейном режиме уровни входного сигнала ОУ превышают значения U_вх для линейного участка (U_вх > U_вх.л или U_вх < –U_вх.л).

При этом режиме U_вых принимает одно из двух значений:
+U_{вых max} или –U_{вых max}. Нелинейный режим работы ОУ используют при создании импульсных устройств на базе ОУ: мультивибраторов, компараторов и др.

Рассмотрим некоторые примеры построения аналоговых схем на ОУ, работающих на линейных участках амплитудных характеристик.

Инвертирующий усилитель (рис. 5.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается U_вх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора R_ос.

Принимаем I_ОУ = 0, тогда для узла 1 справедливо равенство

I_вх = I_ос

или

Так как собственный коэффициент усиления ОУ К_{U ОУ} ® ¥, то напряжение на входе ОУ

U₀ = U_вых / К_{U ОУ} ® 0,

тогда U_вх / R₁ = -U_вых / R_ос.

Коэффициент усиления

Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричными входы, выбирая R₂ = R₁ ║ R_ос.

Неинвертирующий усилитель (рис. 5.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Выразим ток в резисторе R1, полагая U₀ = 0, I_оу = 0:

U_вых / (R₁ + R_ос) = U_вх / R₁.

Тогда

Вычитатель-усилитель (рис. 5.6) предназначен для усиления разностных сигналов.

Если R₁ = R₂ и R_ос = R, то

Сумматоры. Для инвер-тирующего сумматора (рис. 5.7, а) формула выполняемой операции

Для неинвертирующего сумматора (рис. 5.7, б)

,

где n – число входов.

Интеграторы создают заменой резистора R_ос конденсатором (рис. 5.8). Они широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах. Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала.

Так как i_вх = i_с

или

то

Обычно при t = 0 U_{вых 0} = 0, тогда

где t = R₁С – постоянная времени.

Дифференциаторы (рис. 5.9). Входной сигнал подается на инвертирующий вход и формула выполняемой операции

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина является самовозбуждающимся генератором (рис. 5.10).

Он преобразует энергию постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Мост Вина, состоящий из элементов R₁, С₁, R₂, С₂,образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи (ПОС). Входной сигнал генератора – это часть его выходного напряжения, передаваемая звеном ПОС.

При R₁ = R₂ = R и С₁ = С₂ = С частота генерации

f₀ = 1 / (2pRC).

Элементы R_о, R_ос предназначены для получения требуемого коэффициента усиления.

Мультивибратор служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рис. 5.11) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики), он сравнивает два входных сигнала: по неинвертирующему входу

и по инвертирующему входу U_с – напряжение конденсатора С.

В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от U_{вых max} до U_{вых min}= -U_{вых max}. При R₁ = R₂ длительность и период импульса t_и » 1,1RC; Т = 2t_и » 2,2 RC. Изменяя
t = RC или величины R₁, R₂, можно регулировать длительность и частоту импульсов.