Усилители постоянного тока и операционные усилители

Усилители постоянного тока служат для усиления постоянных и медленно изменяющихся сигналов напряжения и тока. Усилители постоянного тока должны обеспечивать:

1) нулевой выходной сигнал при нулевом сигнале на входе;

2) изменение знака выходного сигнала при изменении знака входного сигнала;

3) линейную зависимость между входным и выходным сигналами;

4) постоянство перечисленных характеристик при воздействии внешних факторов, например, температуры, отклонений напряжений источников от номинальных и т.п.

Схемные решения усилителей постоянного тока в корне отличаются от усилителей переменного тока, а именно, это многокаскадные дифференциальные схемы с несколькими источниками питания. На современном этапе развития электроники дифференциальные усилители постоянного тока как законченное отдельное устройство практически не применяется. Им на смену предлагается широкая номенклатура (сотни типов) так называемых операционных усилителей (ОУ). ОУ представляет собой интегральную микросхему, содержащую десятки транзисторов, сотни элементов типа резисторов и, диодов, имеющей в своем составе несколько дифференциальных усилителей. ОУ - это законченное устройство, внутреннюю схему которого изменить нельзя, и имеет один-два входа и один выход (рис.6.10 а). Для питания ОУ требуется два разнополярных и одинаковых по величине источника напряжения -Uun +Uun При двух входах ОУ один является инвертирующим, а. другой прямым. При подаче сигнала Uвx на инвертирующий вход выходной Uвых входной сигналы имеют разные знаки. При подаче сигнала Uвx на прямой вход выходной Uвых и входной сигналы имеют одинаковые знаки.

Передаточные характеристики ОУ (рис.10 б) имеют два участка: рабочий и насыщения. ОУ эксплуатируются на рабочих участках, где коэффициент усиления по .напряжению составляет Коу = 10³ ¸ 10⁵. На участках насыщения выходные напряжения неизменны и практически равны напряжениям -Uun и + Uun источников питания. На рабочих участках потребляет малый ток ioy » 0 (ioy =10^-9 – 10^-6 А) и к его входу прикладывается малое напряжение Uoy » 0 (Uoy = 10^-4 ¸ 10^-3 В).

Рис. 6.10 Обозначение (а) и характеристики (б) операционного усилителя

Основное применение ОУ состоит в усилении постоянных и медленно изменяющихся сигналов и включается он по схеме, приведенной на рис 6.11. (подключение источников питания не показано), где Zвx- входное сопротивление, Zoc сопротивление обратной связи, через которое выходной сигнал Uвых подается на инвертирующий вход ОУ. В этой схеме между выходным Uвых и входным Uвx напряжениями существует зависимость

(6.2)

Рис. 6.11. Базовая схема включения ОУ

где К = Z_OC/Z_BX- коэффициент передачи (усиления).

Вывод соотношения (6.2) прост. Действительно, схема на рис. 6.11 описывается уравнением

(6.3)

откуда при Uoy ≅ 0 и i_oy ≅ 0 получаем (6.2)

Соотношения (6.2.) показывает, что вид зависимости между выходным Uвыx и входным Uвx сигналами определяется видом сопротивлений Zвх и Zoc.