Операционные усилители. Операционные усилители (ОУ)

Рис. 7.1. Изображение ОУ на схемах эл. цепей.

Рис. 7.2. Второй вариант изобра– жения ОУ на схемах эл. цепей.

Операционные усилители (ОУ) – это микросхемы, на основе которых собираются многие стандартные блоки электронной аппаратуры. ОУ – это транзисторные усилители, чаще всего имеющие три каскада. ОУ содержат 2–3 десятка транзисторов.

ОУ имеет два входа – инвертирующий, который на схемах отмечается маленьким кружком или знаком "–", и неинвертирующий, иногда отмечаемый знаком "+". На схемах ОУ обозначаются так, как показано на рис. 7.1 и рис. 7.2. На этих же рисунках показано подключение питания, нагрузки и входного напряжения. ОУ обычно питаются от двух одинаковых источников постоянного напряжения от 3 до 15 В. Потенциал средней точки этих источников считается нулевым, от него отсчитываются все другие потенциалы схемы на ОУ (рис. 7.1, 7.2). Цепи питания ОУ чаще всего на схемах не изображаются.

ОУ – дифференциальные усилители, то есть напряжение на выходе пропорционально разности потенциалов входов: , где k – коэффициент усиления, число порядка десятков или сотен тысяч.

Часто рассматривают модель, называемую идеальным ОУ. При этом принимают следующие допущения:

1. Коэффициент усиления идеального ОУ настолько велик, что в расчетах его можно считать бесконечным: ;

2. Входные сопротивления идеального ОУ бесконечны: ;

3. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю: ;

4. Полоса пропускания идеального ОУ бесконечна (нет частотных ограничений). Это в том числе означает, что входной сигнал мгновенно проходит на выход.

5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (т.е. сигнала одной полярности, поступающего сразу на оба входа) бесконечен. То есть, идеальный ОУ усиливает именно разность напряжений на входах, и ничего больше. Вследствие этого напряжение смещения идеального ОУ равно нулю (для реального ОУ это напряжение нужно подать на вход, если мы хотим обеспечить нулевое напряжение на выходе).

6. Параметры идеального ОУ постоянны во времени, они не зависят от температуры и других физических факторов.

Из этих допущений вытекают следствия:

1. Входные токи равны нулю: ;

2. Входное напряжение настолько мало, что в расчетах его можно считать равным нулю: .

Перечисленные свойства идеального ОУ применяются для анализа схем на ОУ. При более детальном рассмотрении учитываются свойства реальных ОУ.

Реальные ОУ имеют встроенные или внешние элементы частотной коррекции – обычно это конденсатор или конденсатор с резистором. Они служат для уменьшения искажений высокочастотных сигналов, а также предотвращают самовозбуждение ОУ, превращающее его в генератор высокочастотных колебаний.

Для той же цели устранения возможности самовозбуждения ОУ полосу пропускания реального ОУ специально ограничивают частотой порядка 1 МГц, делаяспадающую амплитудно–частотную характеристику. То есть, коэффициент усиления реального ОУ уменьшается с ростом частоты. Скорость изменения выходного напряжения реального ОУ всегда ограничена.

Многие ОУ имеют выводы для подключения подстроечных резисторов, служащих для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом напряжении на входе и для коррекции дрейфа нуля – медленно растущего смещения выходного напряжения относительно входного.

Рис. 7.3. Повторитель напряжения.

В схемах с ОУ большую роль играет отрицательная обратная связь. Она образуется тем или иным соединением инвертирующего входа с выходом ОУ. Без отрицательной обратной связи по постоянному току работа ОУ неустойчива, и он обязательно попадает в режим насыщения, при котором напряжение на выходе максимально по абсолютной величине (по знаку оно может получиться любым). Рассмотрим несколько схем на ОУ.

Повторитель напряжения (рис. 7.3). Так как напряжение между входами ОУ равно нулю, то выходное напряжение равно входному: . Если мы предположим, что выходное напряжение стало, например, чуть больше входного, то потенциал инвертирующего входа станет больше потенциала неинвертирующего входа, что вызовет отрицательное напряжение между входами ОУ, и вследствие этого произойдет уменьшение напряжения на выходе. Точно так же благодаря обратной связи будет

Рис. 7.4. Неинвертирующий усилитель.

скомпенсировано случайное уменьшение выходного напряжения. Повторитель напряжения не меняет напряжение, но позволяет нагрузке отбирать ток от выхода, в то время как источник сигнала ток практически не отдает.

Рис. 7.5. Инвертирующий усилитель.

Неинвертирующий усилитель (рис. 7.4). Он отличается от повторителя напряжения только тем, что на инвертирующий вход подается не все выходное напряжение, а только его часть, снимаемая с делителя напряжения R₁R₂:

,

где i – ток, текущий в последовательно включенных резисторах R₁ и R₂.

По закону Ома , откуда

.

Так как этот усилитель не меняет знак напряжения, он называется неинвертирующим. Как и повторитель напряжения, неинвертирующий усилитель обладает очень большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Рис.7.6. Сумматор.

Инвертирующий усилитель (рис. 7.5). Неинвертирующий вход ОУ "заземлен" через резистор R₃, и потенциал его примерно равен нулю. Поэтому (т.к. напряжение между входами ОУ равно нулю) потенциал инвертирующего входа тоже должен быть равен нулю ("виртуальная земля"). Вход ОУ почти не потребляет ток, поэтому токи резисторов R₁ и R₂ одинаковы и равны i_вх., потенциал входа равен , потенциал выхода равен , откуда

.

Так как этот усилитель изменяет знак напряжения, он называется инвертирующим. Резистор R₃ служит для компенсации влияния входных токов смещения. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно R₁. (Знак "–" получается оттого, что стрелки напряжения и тока резистора R₂ направлены в разные стороны.)

Сумматор (рис 7.6). Это инвертирующий усилитель с несколькими входами, для простоты рассмотрим два входа. По 1 закону Кирхгофа

.

Выразив напряжения резисторов через токи и подставив их в последнее уравнение, получим:

,

откуда .

То есть, на выходе получается сумма входных напряжений, взятых с заданными коэффициентами. Сумматор на основе ОУ лежит в основе цифро–аналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего цифровые коды в аналоговые сигналы.

Рис. 7.7. Интегратор.

Интегратор (рис. 7.7). Резистор R₂ нужен для задания отрицательной обратной связи по постоянному току, чтобы усилитель не ушел в насыщение. Сопротивление R₂ выбирают достаточно большим, чтобы ток через него был пренебрежимо малым по сравнению с током конденсатора в заданном частотном диапазоне. Поэтому мы ток резистора R₂ учитывать не будем.

Тогда через конденсатор будет течь ток входа i_вх. Из уравнений резистора и конденсатора

,

получаем: .

Рис. 7.8. Компаратор.

То есть, напряжение на выходе равно интегралу от напряжения на входе, умноженному на заданный коэффициент.

Компаратор (рис. 7.8). Он служит для сравнения входного напряжения с заданным напряжением u₀. Если u_вх. > u₀, то u_вых. = + u_макс.; если u_вх. < u₀, то u_вых. = – u_макс., где u_макс. – максимальное напряжение на выходе усилителя. Это редкий случай, когда ОУ используется без обратной связи и работает в режиме насыщения. В качестве компараторов обычно используют специальные ОУ с большим быстродействием.