Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель (см. рис. ниже) - это усилитель

• с дифференциальным входом,
• большим коэффициентом усиления,
• большим входным сопротивлением
• малым выходным сопротивлением.
• широкий частотный диапазон, которой обеспечивают непосредственные связи (без разделительных конденсаторов)

Рис.3.

На рисунке 3 у операционного усилителя мы видим 5 линий проводников:

1. U_{1 -} неинвертирующий вход
2. U₂ - инвертирующий вход
3. +U_вых - выход
4. +U_пит - положительный вывод питания
5. - U_пит - отрицательный вывод питания

Двуполярное питание обеспечивает возможность инверсии знака напряжения на инвертирующем входе U₂, т.е. при подаче на вход U₂ положительного сигнала на выходе сигнал будет отрицательным. Напряжение питания ОУ обычно +15 В/-15В, но иногда может варьирироваться от +5/-5 до +18/-18.

Идеальный ОУ чувствителен к дифференциальному (разностному) сигналу U_вх=U₁-U₂ и нечувствителен к синфазному сигналу U_син=(U₁+U₂)/2. Последнее обстоятельство позволяет использовать ОУ в схемах с длинными линиями. Действительно, сигналы помехи ( наводки ) будут одинаковы на обоих входах, но на выходе они сложатся с разными знаками и дадут нуль. Источник сигнала (например датчик) должен иметь дифференциальный выход (полезные сигналы равные по величине, но разные по знаку), как показано на рисунке 4 ниже.

Рис.4.

Ниже показан входной каскад ОУ с пассивной нагрузкой. Транзисторы Т₁, Т₂ и резисторы образуют мостовую схему. Генератор тока (на схеме: кружок со стрелкой) обеспечивает постоянство суммы токов через левое и правое плечи моста. При подаче напряжения на базу, сопротивление транзистора падает и ток коллектора растет. Напряжение разбаланса моста поступает на второй каскад (часто тоже дифференциальный). Рабочая точка всегда должна оставаться в линейной области транзистора. Так как связь между каскадами - непосредственная (без конденсаторов), то ОУ может усиливать постоянное напряжение. Частотный диапазон при этом достаточно широкий от 0 до 1-10 МГц.

Рис.5.

Использование активной нагрузкой типа "токовое зеркало" (транзисторы Т₃-Т₄ на рисунке ниже) позволяет увеличить коэффициент усиления до миллионов раз. Равенство напряжений на базах транзисторов Т₃ и Т₄ приводит к равенству их коллекторных токов, один ток является "отражением" другого - отсюда и название схемы.

Рис.6.

В ОУ без обратной связи коэффициент усиления k сильно зависит от частоты (k падает с частотой как показано на рисунке ниже, кривая 1), поэтому для создания "плоской АЧХ" вводят корректирующие RC-цепи (кривые 2 и 3). Для балансировки нуля также используют внешний переменной резистор.

Рис.7.

Кроме того, при высоком значении коэффициента усиления трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. Если часть выходного сигнала направить обратно на вход в противофазе с входным сигналом, т.е. создать отрицательную обратную связь, то усилитель будет более стабильным, но приведет к снижению коэффициента усиления. Типичные схемы включения ОУ с отрицательной обратной связью имеют коэффициент усиления от 10 до 1000, тогда как коэффициент усиления ОУ без обратной связи находится в диапазоне от 10⁵ до 10⁷. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерации, т.е. становится автогенератором.