Введение

Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая интегральная микросхема (ИМС)с очень большим собственным коэффициентом усиления по напряжению (10³...10⁶). Условное обозначение ОУ показано на рис. 1 (и – инвертирующий вход, н - неинвертирующий вход). Идеальная передаточная характеристика ОУ представляет собой зависимость выходного напряжения (U_вых) от разности напряжений на его входах:

U_вых = А(е_н – е_и) = Ае_с,

где А – собственный коэффициент усиления ОУ (А = 10³ ... 10⁶);



е_и

U_вых

е_н

Рис. 1

е_с = (е_н – е_и) – разность напряжений на входах ОУ: дифференциальный (разностный сигнал).

Идеальный ОУ чувствителен только к разности входных напряжений е_с и нечувствителен к любой составляющей входных сигналов, общей для обоих входов. Такая составляющая называется синфазным сигналом и определяется как (е_н + е_и)/2.

Передаточная характеристика идеального ОУ показана на рис. 2. Линейная область характеристики определяется уравнением U_вых = Ae_c и ограничена с обеих сторон областями насыщения. При собственном коэффициенте усиления А = 100.000 и при напряжении питания Е_п = 15 В максимальное входное напряжение, соответствующее максимальному выходному напряжению U_{вых max} = Е_п – 2 = 13 В, будет: е_с = 13/10⁵ = = 0,15 мВ. При меньших напряжениях питания и большем собственном коэффициенте усиления ОУ ширина линейной зоны (рис. 2) сравнима с уровнем шумов. Поэтому без дополнительных цепей ОУ не используется в качестве линейного усилителя. В линейном режиме необходима отрицательная обратная связь (ООС), когда часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход ОУ.

Для идеального ОУ существуют два основных правила:

• 

  U_вых

  +Е_п

  

  

  Линейная зона

  (1...2) В

  

  Ае_с

  

  

  е_с, мкВ

  (1...2) В

  -Е_п

  

  Рис. 2

  ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между его входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Отсюда следует, что выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

• ОУ потребляет достаточно малый входной ток (до 0,08 мкА), поэтому для идеального ОУ можно считать, что его входы не потребляют тока.

Первое правило вовсе не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно и несовместимо со вторым правилом. В действительности ОУ "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между его входами становится равной нулю, если это возможно.

Выходное и входное напряжения ОУ снимаются относительно средней точки ("земли") источников питания (рис. 3), что позволяет подавать на входы и получать на выходе ОУ напряжения как выше, так и ниже нулевого потенциала ("земли") При этом максимальное выходное напряжение ниже питающего примерно на (1 ... 2) В, а при низкоомной нагрузке диапазон изменения выходного напряжения еще меньше.

а) б)

Рис. 3

Цель лабораторных работ - расчет и экспериментальное исследование типовых схем, основу которых составляет интегральный операционный усилитель.