Операционные усилители

С развитием интегральной технологии производства наиболее распро­страненным элементом для построения электронных устройств стал операционный усилитель. Он представляет собой высококачест­венный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, обладаю­щий высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

На принципиальных схемах в самом общем виде опера­ционный усилитель обычно изображают в виде прямоуголь­ника с двумя входными и одним выходным выводами (рис. 14.5). Один из входов усилителя, напряжение на кото­ром усиливается с тем же знаком, называется неинверти­рующим и обозначается «+». Напряжение на другом входе – инвертирующем («–») – усиливается с изменением знака на обратный. Коэффициент усиления в схеме с разомк­нутой обратной связью одинаков для обоих входов операционного усилителя, причем во всем рабочем температурном диапазоне. Этого достигают выполнением всех элементов усилителя, в том числе и входных транзисторов, на одной кремниевой пластине.

Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно рассматривать, считая его идеальным, с параметрами:

1) коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью бес­конечно большой;

2) напряжение на выходе равно нулю при нулевой разности входных на­пряжений;

3) входное сопротивление бесконечно большое;

4) выходное сопротивление равно нулю;

5) полоса пропускания частот бесконечна (усилитель не вносит за­держки).

Схема операционного усилителя, изображенная на рис. 14.6 называется инвертирующей схемой ОУ. Харак­терной особенностью ее является то, что неинвертирующий вход заземлен, а инвертирующий вход связан с выхо­дом через сопротивление обратной связи Для инвертирующего включения ОУ характерны перемена знака вход­ного сигнала, а также зависимость коэффициента усиления (коэффициента пере­дачи) только от параметров цепи обратной связи. При достаточно большом значе­нии коэффициента усиления, даже в случае его изменения от экземпляра к экзем­пляру ОУ или от температуры, параметры усилителя практически не меняются. Такая схема, называемая инвертирующим повторителем входного сигнала, ис­пользуется как промежуточное звено при связи источника сигнала, имеющего относительно большое внутреннее сопротивление (но меньшее, чем входное со­противление ОУ), с низкоомным приемником.

Определим с учетом знака выходного напряжения значение входного тока

. (14.3)

Из этого следует, что напряжение на инвертирующем входе для данной схемы стремится к нулю. Поэтому здесь инвертирующий вход может рассматри­ваться как точка «кажущейся» земли.

На основе инверти­рующего усилителя выполняю­т сумматоры, у которых с инверти­рующим входом связано не­сколько источников сигналов со своими входными сопро­тивлениями (рис. 14.7).

Поскольку инверти­рующий вход, называемый в данном случае «суммирую­щей точкой», сохраняет потенциал земли, входные токи каждого из источников не зависят друг от друга. Через элемент обратной связи протекает сумма этих токов.

При малом переменном напряжении входного сигнала, соизмеримом с падением напряжения на открытом диоде, для его выпрямления могут приме­няться схемы на основе ОУ. В них практически исключается влияние падения напряжения на диоде. На рис. 14.8 представлена схема однополупериодного выпрямителя, где диод VD1 включен в цепь обратной связи.

Для схемы, показанной на рис. 14.9 а с учетом того, что потенциал точки суммирования токов за счет обратной связи совпадает с потенциалом земли, имеют место следующие зависимости

;

. (14.4)

Таким образом, посредством этой схемы осуществляется интегри­рование входного сигнала с изменением знака. Такой интегратор может применяться, для сглаживания выпрямленного напряжения. Напри­мер, подключив в схеме (рис. 14.8) параллельно резистору конденсатор, получим выпрямитель.

Схему дифференциатора, выполняющего операцию, обратную интегри­рованию, т.е. дифференцирование, можно получить из предыдущей схемы, поменяв местами конденсатор и резистор (рис. 14.9 б). Для этой схемы харак­терны следующие

соотношения

; . (14.5)

В схеме неинвертирующего уси­лителя (рис. 14.10) источник входного сигнала с внутренним сопротивлением связан с неинвертирующим входом, а инвертирующий заземлен через рези­стор и имеет обратную связь через резистор .

Этот усилитель в определенном масштабе воспроизводит на выходе входное напряжение. Достоин­ством его является большое входное и малое внутреннее выходное сопротив­ления. При = 0 усилитель превращается в повторитель входного напряжения.

Для сравнения двух сигналов используют схемы ОУ в режиме компа­ратора. В этих схемах для получения максимальной точности, определяемой чувствительностью схемы, петля обратной связи обычно не замыкается.

На рис. 14.11 показан компаратор, применяемый для сравне­ния разнополярных входных сигналов – сигнала и опорного . Если одно напряжение

превы­шает другое, то выходная часть ОУ за счет большого коэффициента усиления переходит из одного состояния насыщения в другое. Таким образом, компаратор служит для преобразования разности аналоговых входных сигналов в дискретный вы­ходной.

Реальный ОУ отличается от рассмотренного ранее идеального наличием входных токов и выходного сопротивления, несбалансированностью обоих плеч входного дифференциального усилителя и конечным значением коэффи­циента усиления . Поэтому выбор параметров элементов внешних связей ОУ с другими узлами схемы связан с его электрическими параметрами. Для этого в справочной литературе приводится около 20 параметров.