Выход Рис. 28-42. Блок-схема операционного усилителя.

ко на разность входных сигналов. Кроме того, дифферен­циальный усилитель усиливает сигнал, пропорциональный разности входных напряжений, и не реагирует на одина­ковые сигналы на обоих входах. Это называется ослабле­нием синфазного сигнала. Ослабление синфазного сигна­ла полезно при измерении слабых сигналов на фоне шума с частотой 60 герц. Шум с частотой 60 герц является об­щим для обоих входов и поэтому он ослабляется, а опера­ционный усилитель усиливает только малую разность сигна­лов на обоих входах. Амплитудно-частотная характерис­тика дифференциального усилителя обеспечивает усиление от области низких частот до постоянного тока. Это озна­чает, что дифференциальный усилитель может усиливать не только низкочастотные сигналы переменного тока, но и сигналы постоянного тока.

Второй каскад — это усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления. Этот каскад состоит из несколь­ких пар транзисторов, соединенных по схеме Дарлингто­на, достигает усиления по напряжению в 200000 раз и более, обеспечивая большую часть усиления операционного усилителя.

Последний каскад — это выходной усилитель. Обычно это эмиттерный повторитель на комплементарных транзи­сторах. Он используется для того, чтобы операционный усилитель имел низкий выходной импеданс. Операционный

усилитель может обеспечить несколько миллиампер тока нагрузки.

Операционные усилители рассчитаны на питание от двухполярного источника напряжения от ±5 до ±15 вольт. Положительный вывод источника питания должен обеспе­чивать от +5 до +15 вольт по отношению к земле, а отри­цательный от -5 до -15 вольт по отношению к земле. Это позволяет выходному напряжению изменяться в сторону положительных и отрицательных значений по отношению к земле. Однако в некоторых случаях операционные усили­тели могут работать и от однополярного источника питания.

Принципиальная схема типичного операционного уси­лителя изображена на рис. 28-43. Изображенный усили­тель называется LM741 (отечественный аналог К140УД7). Этот операционный усилитель не требует частотной кор­рекции, защищен от короткого замыкания, не имеет про­блем с запиранием. Хорошие эксплуатационные качества при низкой цене обеспечивают его широкое использование. Устройство, содержащее в одном корпусе два операцион­ных усилителя LM741, называется LM747 (наш аналог КР140УД20). Благодаря отсутствию конденсаторов связи эти операционные усилители могут усиливать сигналы переменного и постоянного токов.

Нормальный режим работы операционного усилителя — это режим работы с обратной связью. В нем используется отрицательная обратная связь, что уменьшает общее уси­ление операционного усилителя, но обеспечивает лучшую стабильность.

При работе операционного усилителя с обратной связью, выходной сигнал подается на один из входов в качестве сиг­нала обратной связи. Этот сигнал обратной связи противо­действует входному сигналу, так как находится в проти- вофазе. Существуют две основные цепи с обратной связью: инвертирующая и неинвертирующая. Инвертирующая кон­фигурация более популярна.

На рис. 28-44 изображен операционный усилитель с ин­вертирующей обратной связью: входной сигнал подается на

I National Operational Amplifiers/Buffers

I Semiconductor

LM741/LM741A/LM741C/LM741E Operational Amplifier General Description

The LM741 series are general purpose operation*! amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709 They »re direct plug m replacements for the 709C LM201 MC1439 and 748 in most applications

The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof overload pro tection on the input and output no latch up when the common mode range is exceeded as well as freedom from oscillation»

The LM741C/LM741E are identical to the LM741/LM741A except that the LM741C/ LM741E have their performance guaranteed over a 0°C to +70*C temperature range instead of -55°C to +125^вС

Schematic and Connection Diagrams (Top Views)

Quel In LineP»cfc»9«

Order Number LM741CN 14 See NS Peckeee N14A Order Number IM741J 14 LM741AJ 14 or LM7410 14 SeeNS PeckeveJUA

Order Number LM741H, LM741AH IM741CH or LM741EH Sm NS Packae* HOSC

Order Number LM741CN or LM741EN See NS Рккце NOSB Order Number LM741CJ See NS Peckige J08A

инвертирующий вход (-) через резистор R_r Обратная связь обеспечивается с помощью резистора R₂. Величина сигна­ла на инвертирующем входе определяется как входным, так и выходным напряжением.

Знак минус указывает на то, что выходной сигнал от­рицателен, когда входной сигнал положителен. Знак плюс указывает на то, что выходной сигнал положителен, ког­да входной сигнал отрицателен. Выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов по отношению ко входному. В за­висимости от отношения резисторов R₂ и R_x усиление ин­вертирующего усилителя может быть меньше, равно или больше 1. Когда усиление равно 1, его называют усилите­лем с единичным усилением, и используют для инверти­рования полярности входного сигнала.

На рис. 28-45 изображен операционный усилитель с неинвертирующей обратной связью: выходной сигнал на­ходится в фазе со входным. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Выход­ное напряжение делится с помощью резисторов R₂ и R_x для того, чтобы подать напряжение обратной связи на инвер­тирующий (-) вход. Усиление по напряжению по неинвер­тирующему входу всегда больше 1.

Рис. 28-44. Опера­ционный усилитель в качестве инверти­рующего усилителя.

Коэффициент усиления операционного усилителя зави­сит от частоты. Обычно усиление, указываемое в справоч-

Рис. 28-45. Операци­онный усилитель в качестве неинверти­рующего усилителя.

ных данных — это усиление по постоянному току. При уве­личении частоты усиление уменьшается. Без использова­ния методов увеличения полосы пропускания, операцион­ный усилитель хорош только для усиления сигналов по­стоянного тока. Для расширения полосы пропускания используется обратная связь, уменьшающая усиление. На­сколько уменьшается усиление, настолько увеличивается полоса пропускания. С помощью этого способа полоса про­пускания операционного усилителя 741 может быть уве­личена до 1 мегагерца.

Операционные усилители применяются для сравнения, ин­вертирования или неинвертирования сигналов, они также могут использоваться для сложения сигналов, как показано на рис. 28-46. Такой усилитель называется суммирующим усилителем. Отрицательная обратная связь удерживает по­тенциал инвертирующего входа близким к потенциалу зем­ли. Следовательно, все входные сигналы электрически изо­лированы друг от друга. На выходе усилителя получается инвертированная сумма входных сигналов.

В суммирующем усилителе резистор, соединяющий не­инвертирующий вход с землей, выбран равным полному сопротивлению параллельйо включенных входному сопротив­лению и сопротивлению обратной связи. Если сопротивление обратной связи увеличить, то цепь может обеспечить и уси­ление. Если используются различные входные сопротивле­ния, сигналы могут быть сложены с различным усилением.

Суммирующие усилители используются при смешива­нии сигналов звуковой частоты. В качестве входных сопро­тивлений используются потенциометры для регулирования уровня каждого из входных сигналов.

Рис. 28-46. Опера­ционный усилитель в качестве суммиру­ющего усилителя.

Операционные усилители также могут использоваться в качестве активных фильтров. Фильтры, использующие резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, на­зываются пассивными. Активные фильтры — это безын- дуктивные фильтры, использующие интегральные микро­схемы. Преимущество активных фильтров в отсутствии ка­тушек индуктивности, имеющих большие размеры.

При использовании операционных усилителей в каче­стве активных фильтров недостатком является то, что они требуют источника питания, могут создавать шум и пре­вращаться в генератор (возбуждаться) вследствие темпера­турного дрейфа или старения компонентов.

Рис. 28-47. Опера­ционный усилитель в качестве фильтра верхних частот.

На рис. 28-47 изображен фильтр верхних частот, ис­пользующий операционный усилитель. Фильтр верхних частот подавляет низкие частоты и пропускает частоты, расположенные выше частоты среза. На рис. 28-48 изобра­жен фильтр нижних частот, использующий операционный усилитель. Фильтр нижних частот пропускает низкие час­тоты и не пропускает частоты, расположенные выше час­тоты среза. На рис. 28-49 изображен полосовой фильтр, ис­пользующий операционный усилитель. Полосовой фильтр пропускает частоты, расположенные вблизи некоторой цен­тральной частоты, и ослабляет более высокие и более низ­кие частоты.

Рис. 28-48. Опера­ционный усилитель в качестве фильтра нижних частот.

Рис. 28-50. Опера­ционный усилитель в качестве разно­стного усилителя.

Разностный усилитель вычитает один сигнал из друго­го. На рис. 28-50 изображен стандартный разностный уси­литель. Эта цепь называется вычитающим устройством, поскольку она вычитает значение Е₂ из значения Е_г