Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) по своим основным параметрам приближается к идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением. Выходное сопротивление ОУ мало, входное сопротивление велико. ОУ реализуется как многокаскадный усилитель постоянного тока в виде интегральной микросхемы, содержащей до нескольких десятков транзисторов. Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя. Таким образом, ОУ усиливает разностный сигнал, образующийся на его входах. Вход ОУ, обозначенный на схеме знаком «о» называется инвертирующим входом, второй выход называется неинвертирующим (рис.3.5.).

Рис.3.5. Схема подключения входных сигналов к операционному усилителю

ОУ сохраняет основное свойство дифференциального усилителя эффективно подавлять синфазный сигнал. Типичное значение коэффициента K_оос = 80…100 дБ. Коэффициент усиления разностного сигнала, т.у. собственный коэффициент усиления ОУ, имеет очень большую величину порядка K = 10⁴…10⁶. В ОУ специальными схемотехническими приемами повышают входное сопротивление до 10⁶…10¹² Ом по разностному каналу и до 10⁹…10¹⁵ Ом по синфазному. Значение выходного сопротивления у современных ОУ находится в пределах от 50 до 1 кОм. В результате по своим основным характеристикам ОУ приближается к идеальному усилителю. В большинстве случаев при анализе схем, построенных на базе ОУ, они считаются идеальными усилителями с r_вх ® ¥, r_вых ® 0, K ® ¥.

Устойчивая работа ОУ возможна только в том случае, если он охвачен внешней цепью отрицательной обратной связи. Рабочая частота ОУ с K = 10⁵…10⁶, в пределах которой возможна устойчивая работа, составляет единицы герц. Поэтому цепь отрицательной обратной связи является неотъемлимой частью схемы, в которую включается ОУ. Действием отрицательной обратной связи увеличивается входной сопротивление каскада, уменьшается выходное сопротивление, существенно расширяется полоса пропускания.

Разностное напряжение на входе усилителя с цепью отрицательной обратной связи (рис.3.6.)

.

Рис.3.6. Операционный усилитель с цепью обратной связи

Подставив U_вых = KU_р получим

.

Таким образом, при наличии обратной связи при K ® ¥ отрицательная обратная связь выравнивает потенциалы на входе усилителя. Такие входы называют виртуально замкнутыми. В случаях, когда один из входов ОУ заземлен, то другой вход имеет нулевой потенциал (виртуальная «земля»).