2.3. Операционный усилитель

Для начального разбора принципов работы такого распространенного устройства, как операционный усилитель, достаточно использования закона Ома: Ток через участок цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален его сопротивлению.

Разберем как работает ОУ, пока что рассматривая его как «черный ящик».

Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

Термин «дифференциальный» означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм. Поэтому с большой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет. Это — первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ.

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением.

В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход.

В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае — суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.

На первый взгляд может показаться, что ПОС имеет положительный эффект, а ООС — совершенно бесполезная затея. Однако, жертвуя усилением, мы существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.

Примечание Глубина ООС показывает, во сколько раз изменяется коэффициент усиления схемы под её влиянием по сравнению с её отсутствием (без ООС).

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 1):

Рис. 1 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 1, А) — сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 1, Б) — сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 1, В) — сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило, которому починяется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Инвертирующее включение (Рис. 2).

Рис. 2 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении

Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к «земле». Входной сигнал, равный +1 В относительно земли подан на вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм. Согласно Правилу 2, на инвертирующем входе должно быть такой же потенциал, как и на зануленном неинвертирующем, т.е., 0 В. Следовательно, к Rвх приложено напряжение +1 В. Согласно закону Ома по нему будет протекать ток Iвх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Направление протекания этого тока показано стрелкой. Согласно Правилу 1 входы ОУ тока не потребляют, то есть для того, чтобы в точке соединения сопротивлений Rвх и Rоос напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно быть приложено напряжение минус 1 В, а протекающий по нему ток Iоос также должен быть равен 1 мА. Иными словами, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, протекающий по этой ветви цепи равен 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. Iвх. = Iоос.

Таким образом, при равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель.

Теперь, сохранив номинал Rвх, увеличим сопротивление Rоос до 2 кОм при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление Rоос+Rвх увеличилось до 3 кОм. Чтобы в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Следовательно, падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ) должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В.

Увеличим номинал Rоос до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же остальных условиях составит уже 10 В. Получили инвертирующий усилитель. Его выходное напряжение больше входного во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх. Ку = – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх.

Если обратную связь в ОУ убрать вообще, получим компаратор (Рис. 14), т.е., устройство, сравнивающее по абсолютному значению два потенциала на своих входах. На его выходе будет напряжение, приближающееся к одному из напряжений питания в зависимости от того, какой из сигналов больше другого. Обычно входной сигнал подается на один из входов, а на другой — постоянное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное напряжение»). Оно может быть любым, в том числе и равным нулевому потенциалу.