Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы. ОУ используются в электрических схемах копиров, принтеров и других устройств. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.
Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, а следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю. Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим. Условное схематическое обозначение дифференциального операционного усилителя приведено на рис. 1, а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Еn и -Еn. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут). Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис. 1, б), а другой — неинвертирующим (рис. 1, в). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле:
Uвых = (Uвх1-Uвх2)A,
где А — коэффициент усиления ОУ.
Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно Uвых = —Uвх2A; а для не инвертирующего Uвых=Uвх1A. Разностное напряжение (Uвх1 –Uвх2) = Uдиф — называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и не инвертирующим входами ОУ.
 |
|
Рис. 1. Схематическое изображение дифференциального операционного усилителя (а), инвертирующего (б) и неинвертирующего (в) |
Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным Uсф= Uвх1 = Uвх2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2.
 |
Рис. 2. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов
Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.3, а. Коэффициент усиления усилителя:
KU = Uвых/Uвх = - R1/R2 .
Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 3, б. В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение обратной связи с выхода ОУ. Коэффициент усиления определяется формулой:
K = 1+R2/R1 .
В частном случае при R2 = 0 и любом значении R1 (кроме нуля) получаем повторитель напряжения с коэффициентом передачи К=1.
Схемы интеграторов тока и напряжения приведены на рис. 4. Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др. Так, например, в схеме логарифматора тока (рис. 5) в цепи отрицательной обратной связи включен диод D.
Рис. 3. Схема инвертирующего усилителя (а) и неинвертирующего усилителя (б) на дифференциальном ОУ
Рис. 4. Схема интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на дифференциальном ОУ
|
|
|
Рис. 5. Схема логарифматора тока на дифференциальном ОУ |
Версия сайта для слабовидящих
