2.3.7. Операционный усилитель и его применение

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом. Входы и выход ОУ (рис.2.19, а) имеют общую точку. ОУ имеет выводы для подачи положительного и отрицательного напряжений питания +Е_К и -Е_К. Выполняется ОУ в виде интегральной микросхемы.

Рис.2.19. Схема замещения ОУ (а), схема неинвертирующего усилителя (б),

амплитудная характеристика усилителя

ОУ усиливает разность входных напряжений — дифференциальный входной сигнал, действующий между входами усилителя:

U_ВЫХ=КU_ВХ

где U_ВХ=U_ВХ1-U_ВХ2 — дифференциальный входной сигнал; К—коэффициент усиления.

Входы ОУ получили название прямого или неинвертирующего, обозначаемого знаком "плюс", и инверсного или инвертирующего, обозначаемого знаком "минус". При U_ВХ1>U_ВХ2 дифференциальный сигнал U_ВХ имеет полярность, совпадающую с обозначениями входов, и выходное напряжение положительно. Если U_ВХ1< U_ВХ2, то U_ВХ<0 и выходное напряжение отрицательно.

При подаче сигнала только на один вход второй вход заземляется. Наличие общей шины (земли) и большой коэффициент усиления (К достигает десятков тысяч) позволяют охватывать такие усилители различными цепями обратной связи и выполнять на базе ОУ сумматоры, интеграторы, нульорганы, высоколинейные усилители с регулируемым усилением и т. п. На рис.2.19, б дана схема неинвертирующего усилителя — высокостабильного усилителя постоянного тока, выполненная на базе операционного усилителя с отрицательной последовательной обратной связью по напряжению. На рис.2.19, в приведена амплитудная характеристика усилителя при разных коэффициентах усиления. То же выражение для K_U можно получить, используя приведенные выше соображения о свойствах идеального ОУ. Поскольку U_ВХ=0, то U_ВХ1=U_ОС=U_ВЫХR₂/(R₁+R₂) и К_U=U_ВЫХ/U_ВХ1=(R₁+R₂)/R₂. Отрицательная последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление усилителя до сотен кОм и выше и снижает выходное сопротивление до долей Ома. На рис. 2.20, а приведена схема инвертирующего усилителя – усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. На инверсном входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ I_ВХ = 0, то I₁ = I₀. Так как I₁ = U_ВХ1/R₁, а I₀ = -U_ВЫХ/R₀, то

К_U = U_ВЫХ/U_ВХ1 = -R₀/R₁.

Рис.2.20. Схемы с применением ОУ: а – инвертирующий сумматор; б – интегратор;

в – временные зависимости

Добавление в схеме рис.2.20, а дополнительных входных цепей позволяет построить инвертирующий сумматор, для которого справедливо, что I₀ = I₁ + I₂ или -U_ВЫХ/R₀ = U_ВХ1/R₁ + U_ВХ2/R₂. Если R₁ = R₂ = R₀, то U_ВЫХ = -(U_ВХ1 + U_ВХ2).

На рис.2.20, б приведена схема интегратора, в которой в цепи обратной связи ОУ установлен конденсатор С. Поскольку входной ток ОУ I_ВХ = 0, то I_ВХ1 = -I_С. Так как I_ВХ1 = U_ВХ1/R, а I_С = CdU_C/dt = СdU_ВЫХ/dt, то

U_ВХ1 /R = -CdU_ВЫХ/dt или ,

где U_ВЫХ(0) – напряжение на выходе (конденсаторе) к моменту начала интегрирования;  = RC – постоянная времени интегрирования, т. е. время, в течение которого выходное напряжение U_ВЫХ при подаче постоянного напряжения U_ВХ1 изменится на величину U_ВЫХ = U_ВХ1.

При интегрировании постоянного напряжения

U_ВЫХ = -U_ВХ1t/ + U_ВЫХ(0).

На рис.2.20, в показан процесс интегрирования сложного сигнала при =1с.