Лекция 15. Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления в широком диапазоне частот (от 0 до десятков МГц), выполненный по интегральной технологии. ОУ позволяет реализовать усилительные устройства, приближающиеся по свойствам к идеальным усилителям, и поэтому относится к универсальным электронным схемам, на основе которых строят разнообразные функциональные узлы. Из теории усилителей известно, что при достаточно большом собственном коэффициенте усиления усилительного элемента свойства усилительного каскада, охваченного цепями внешних обратных связей, определяются свойствами этих связей [21]. На основе ОУ выбором элементов цепей обратных связей можно обеспечить выполнение различных математических операций с аналоговыми сигналами: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование, усреднение и др. Особенности схемотехники ОУ определяются тем, что в его схеме используются лучшие схемные решения усилительных устройств: на входе ОУ – дифференциальный усилительный каскад, используются динамические нагрузки, схемы источников тока, токовое зеркало, эмиттерные повторители на выходе (рисунок 15.1).


Рисунок 15.1 - Упрощенная структурная схема ОУ

В схемах ОУ изображают либо прямоугольником, либо треугольником с указанием входов и выхода, как показано на рисунке 15.2.

Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно одной общей для входа и выхода точки (шины), которая непосредственно связана с общей точкой двух последовательно соединенных источников питания. Эта точка может не выводиться из корпуса микросхемы, а образована внешними цепями.

ОУ имеет два входа, один из которых называется инвертирующим, а другой неинвертирующим (инвертирующий вход помечают кружком). Часто эти входы называют соответственно инверсным и прямым. Выводы для коррекции у современных ОУ могут отсутствовать.

Рисунок 15.2 - Варианты условных графических изображений ОУ:

FC – выводы для частотной коррекции; NC – выводы для коррекции нуля

Основные принципы работы устройств, построенных на основе ОУ, базируются на понятии «идеальный ОУ», т.е. виртуальный ОУ, для которого приняты следующие допущения: собственный коэффициент усиления К = ∞, входное сопротивление RВХ = ∞, выходное сопротивление Rвых = 0, полоса пропускания ∆f = (0 – ∞) Гц, отсутствуют дрейф и шумы (при UВХ = 0, UВЫХ = 0) [6]. С учетом принятых допущений найдем основное уравнение для идеального ОУ. Для этого составим систему уравнений для схемы, показанной на рисунке 15.3.



Примем разность потенциалов между входами равной нулю, тогда:

UВХ1 – UВХ2 – I1 Z1 = 0; UВХ1 – UВЫХ– I2 Z2 – I1 Z1 = 0;

I1 = (UВХ1 – UВХ2 )/Z1.

Рисунок 15.3 - Расчетная схема для идеального ОУ

Учитывая, что I1 = I2, получим:

UВЫХ = – UВХ1 Z2 / Z1 + UВХ2 (1 +Z2 / Z1). (15.1)

Уравнение (15.1) позволяет получить соотношения между входными и выходным сигналами для частных случаев:

а) UВХ1 = 0, UВЫХ = UВХ2 (1+ Z2 / Z1) – неинвертирующее включение ОУ (рисунок 15.4, а);

б) UВХ2 = 0, UВЫХ = – UВХ1 Z2 / Z1 – инвертирующее включение ОУ (рисунок 15.4, б);

в) Z2 = 0, UВЫХ = UВХ2 – ОУ включен по схеме повторителя напряжения (рисунок 15.4, в).

Рисунок 15.4 - Варианты включения ОУ:

а – неинвертирующее включение; б – инвертирующее включение;

в – повторитель напряжения

Выбирая различные виды входных элементов и обратных связей ОУ, можно строить различные функциональные узлы. Широко распространены сумматоры (вычитатели) аналоговых сигналов, интеграторы, дифференциаторы и др. Структурные схемы таких устройств показаны на рисунке 15.5.

Рисунок 15.5 - Функциональные узлы, построенные на ОУ:

а – сумматор (вычитатель) напряжений; б – интегратор входного напряжения;

в – дифференциатор входного напряжения

Уравнения, связывающие входные и выходные напряжения для схем (рисунок 15.5) имеют следующий вид:

Схема (а): UВЫХ = – R4 [(U1 / R1) – (U2 / R2) + (U3 / R3)].

Схема (б): UВЫХ = – 1/TИ ∫UВХdt,

где ТИ – постоянная времени интегрирования, ТИ = R1C1.

Схема (в): UВЫХ = – TД dUВХ/dt,

где ТД – постоянная времени дифференцирования, ТД=R2C1.

Уравнения, характеризующие свойства схем с ОУ, охваченными различного рода цепями обратных связей, имеют несложный вид только в том случае, если принимается предположение, что ОУ идеален. В практических расчетах схем с применением ОУ используют схему замещения, в которой можно учесть реальные входные и выходные характеристики ОУ.



3155542918341619.html
3155572558312542.html
    PR.RU™