11. Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют дифференциальный уси­литель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, пред. назначенный для выполнения различных операций над электрически­ми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. Обычно операционный усилитель имеет 3 — 4 дифференциальных балансных каскадов, в качестве выходного каскада обычно использу­ется бестрансформаторный усилитель мощности. Коэффициент уси­ления ОУ достигает 10⁶. Операционные усилители изготавливаются в виде интегральных микросхем различных серий, например, серии К140. ОУ имеет два входа: неинвертирующий (Н) и инвертирующий (И). Их названия связаны с тем, что в первом случае входное напряжение находится в фазе с выходным, а во втором случае — в противофазе.

Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис. 3.36. Знач­ки «О оо » символизируют наличие очень большого коэффициента уси­ления у операционного усилителя. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания -КЕ_п[ и ~Е_п^ Основными харак­теристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики.

Амплитудные характеристики операционного усилителя на мик­росхеме К140УД8 по неинвертирующему входу приведена на рис. 3.37, на котором видно смещение нуля С/_см « 1 мВ. Смещение нуля следует принимать во внимание при применении ОУ. При больших значени­ях коэффициента усиления микросхемы необходимо балансировать [/ вручную с помощью балансировочного резистора.

Параметры, характеризующие работу операционных усилителей, подразделяются на статические и динамические.

К основным статическим параметрам ОУ относятся:

1. коэффициент усиления по напряжению (Кц=10⁴+10⁶);

2. входное сопротивление ( Д_вх=10⁴-г10⁷ Ом);

3. выходное сопротивление ( R_Bhlx « 10² Ом);

4. входное напряжение смещения нуля (U_CM — единицы милливольт). К основным динамическим параметрам ОУ следует отнести:

1) частота единичного усиления/[, т.е. частота на которой K_v=l (/[— единицы и десятки мегагерц);

2. скорость нарастания выходного напряжения (V_Ubhxy~ 0,1 ^ 100 В/мкс);

3. время установления выходного напряжения (X =0,05 ■*■ 2 мкс). Для построения различных усилителей применяют операционные

усилители с отрицательной обратной связью. В зависимости от того, на какой из входов подается усиливаемое напряжение, различают не-инвертирующий и инвертирующий усилители

В неинвертирующем усилителе (рис.3.38) входное напряжение под­ается на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя через делитель £j, R₂ на инвертирующий вход подается напряжение отрицательной обратной связи. Обычно выполняются условия R₂ ^>:>Я_ВЬ1Х и R_l <R_BX.

Для идеального ОУ ( K_v =oo, R_bx~ со , R_BbW-0 ) коэффициент усиления неинвертирующего усилителя можно найти из следующего соотношения:

12 На основе ОУ можно построить устройства, выполняющие любые математические операции, например,сумматоры. Для этого несколько входных сигналов (например, три на рис.3.40) через резисторы с одинаковыми сопротивлениями R\ одновременно подаются на инвертирующий вход ОУТаким образом-, выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений

На рис. 3.41 изображена схема дифференцирующего усилителя. Нетрудно показать, что для идеального ОУ: ix=C duBX/dt, а 12-ивых ^ поэтому, учитывая, что/j ~- i2 , получим Для интегрирующего усилителя (интегратора) (рис.3.42) справедливы соотношения: I] Как будет показано в гл 4, интеграторы часто используются в генераторах линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), так как при подаче на их вход постоянного напряжения, на выходе интегратора можно получить линейно-изменяющееся напряжение