Операционный усилитель

Предварительная обработка входных аналоговых сигналов

Аналоговая (в основном) информация, поступающая из окружающего нас мира, для введения в цифровые (в основном) устройства обработки информации требует предварительной обработки.

Источники сигналов могут отличаться уровнями напряжений и токов, внутренним сопротивлением, уровнем помех. Это определяет разнообразие способов предварительной обработки аналоговых сигналов. Важнейшим элементом устройств обработки информации является операционный усилитель (ОУ).

Операционный усилитель

Операционный усилитель предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Кроме того, усилитель может обеспечить фильтрацию, математическую обработку или коррекцию нелинейностей входного сигнала.

ОУ – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. Обычно он используется в схемных конфигурациях, характеристики которых определяются внешними цепями обратной связи.

Передаточная функция электронной схемы есть отношение величины выходного сигнала к величине входного сигнала. Для усилителя напряжения передаточная функция (коэффициент усиления) определяется выражением

(1.1)

При разработке схемы наилучшим подходом является использование на первом этапе предложения об идеальности ОУ, что существенно упрощает расчет передаточной функции. Затем проверяется степень неидеальности характеристик используемого ОУ для выяснения влияния данного фактора на параметры схемы. Если это влияние незначительно, то разработку схемы можно считать завершенной, в противном случае нужны дополнительные расчеты.

Рисунок 1.1 – Эквивалентная схема ОУ

На рис. 1.1 показана упрощенная эквивалентная схема ОУ. В представленной модели ОУ имеет входное сопротивление R_d, включенное между двумя его входами U₁ и U₂ (также обозначаются напряжения, подаваемые на эти входы). Выходная цепь состоит из управляемого источника (генератора) напряжения и включенного последовательно с ним выходного сопротивления R₀, связанного с выходом ОУ.

Разность напряжений между входами ОУ индуцирует протекание тока через сопротивление R_d. Дифференциальное напряжение умножается на величину K – коэффициент усиления ОУ, в результате получается значение выходного напряжения.

Для упрощения конструкторских расчетов предполагается, что идеальный ОУ имеет следующие характеристики.

1. Коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности.

2. Входное сопротивление R_d равно бесконечности.

3. Выходное сопротивление R₀ = 0.

4. Ширина полосы пропускания равна бесконечности (бесконечно протяженная амплитудно-частотная характеристика).

5. при (отсутствует напряжение смещения нуля).

Последняя характеристика очень важна. В соответствии с рис. 1.1 . Если имеет конечное значение, а коэффициент усиления K бесконечно велик (типичное значение 100000), то и . Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала так же очень велико и , то можно, как это обычно делается, пренебречь током через R_d. Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ. Окончательно сформулируем их следующим образом: