Операционные усилители

Цель работы: изучение устройств с операционными усилителями.

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный дифференциальный усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления, предназначенный для самых разнообразных применений. Обычно это интегральная схема, которая после подключения к ней указанных в паспорте уровней напряжения питания (а иногда и некоторых элементов для коррекции частотной характеристики) становится усилителем со следующими

Рис. 1

характеристиками: полоса от нуля до f_max; большое входное сопротивление; большой коэффициент усиления (до 10⁴-10⁵ и даже более); большой коэффициент ослабления синфазных помех (до 10³-10⁴); малый шум; малый сдвиг нулевого уровня на постоянном токе; малые изменения характеристик в зависимости от температуры и времени; низкое выходное сопротивление; сравнительно большой размах выходного напряжения во всем диапазоне усиливаемых частот. Естественно, что каждое из перечисленных достоинств проявляется в различной степени у ОУ разных марок.

Сигнал на выходе операционного усилителя с дифференциальным входом (рис. 1)

и _вых= и _вх К ₀= (и ₍₊₎– и _(–)) К ₀, (1)

где Ко — коэффициент усиления ОУ; напряжения отсчитываются от общего (нулевого) уровня.

С целью упрощения анализа схем с ОУ последние часто идеализируют. Идеальный ОУ обладает следующими параметрами: коэффициент усиления К ₀= ; входное сопротивление R _вх= ; выходное сопротивление R _вых=0;. полоса пропускания от нуля до бесконечности. Из (1) следует очень важное свойство идеального ОУ: и _вх= и ₍₊₎– и _(-)= и _вых/ К ₀, т. е. напряжение на дифференциальном входе ОУ равно в линейном режиме практически нулю при любом выходном напряжении. Рассмотрим некоторые простые устройства с ОУ.

Инвертирующий усилитель (рис. 2, а). В соответствии с обозначениями на рисунке через сопротивление обратной связи R _ос протекает ток i _ос=(и _вых– и _(–))/ R _ос; через R ₁ – ток

i ₁=(и _(–)– и _г)/ R ₁. В случае идеального ОУ i _ос= i ₁, следовательно,

(и _вых– и _(–))/ R _ос = (и _(–)– и _г)/ R ₁. (2)
Напряжение на неинвертируемом входе равно нулю, поэтому и _(–)= и _вх=0 и из (2) получаем

и _вых= – и _г (3)

Рис. 2

Неинвертирующий усилитель (рис. 2, в). Согласно обозначениям на рисунке

i _ос= ; i ₁= . (4)

Для идеального ОУ i _ос =i ₁ и (4) дает

и _вых= ½ _{и вх=0}= . (5)

Выражения (3) и (4) показывают, что на основе ОУ выбором сопротивлений R ₁ и R _ос можно простым способом реализовать инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения с требуемым коэффициентом усиления, в частности аналоговый инвертор (рис. 2,6) и повторитель напряжения (рис. 2,г).

Рис. 3

На рис. 3, а показан простой дифференциальный усилитель на ОУ. Если на каждом из его входов разместить повторитель на ОУ (рис. 3,6), то входные сопротивления схемы возрастут. Усилитель такого типа называют потенциометрическим дифференциальным усилителем. При принятых на рис.3 обозначениях коэффициенты усиления обеих схем по инвертируемому и неинвертируемому входам равны соответственно К и —К.