Теоретические сведения. 1.1. Операционный усилитель

1.1. Операционный усилитель

Операционным усилителем называется многокаскадный усилитель постоянного тока с высокоомным дифференциальным входом и очень большим коэффициентом усиления, который в зависимости от подключаемой к нему цепи обратной связи может инвертировать, интегрировать, суммировать, перемножать а также осуществлять другие математические преобразования входных сигналов.. Фактически многие электронные устройства, выполняемые на транзисторах, могут быть реализованы на операционных усилителях. Условные обозначения операционного усилителя приведены на рис. 1.

Рис. 1

При подаче сигнала на неинвертирующий вход форма выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с формой входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то фаза выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе). При подаче сигналов на оба входа сигнал на выходе равен

,

где – коэффициент усиления операционного усилителя;

U ₁ и U ₂ – сигнал на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно.

Входное сопротивление операционного усилителя очень велико (), поэтому входной ток при расчете считается равным нулю.

Выходное сопротивление операционного усилителя весьма мало (), поэтому ток нагрузки усилителя практически не влияет на его выходное напряжение. Такие параметры ОУ обеспечиваются функциональным построением его схемы, из которой видно (рис. 3), что первым каскадом ОУ обязательно является дифференциальный усилитель (ДУ) с двумя входами и одним дифференциальным выходом и представляющий собой симметричный мост, в котором входное напряжение на базах транзисторов всегда в противофазе, а источник сигнала симметричен относительно корпуса (рис. 2). При отсутствии входного сигнала мост сбалансирован и в нагрузке Rн в диагонали моста выходное напряжение равно нулю. Если на левой входной клемме +, а на правой -, то при возрастании входного напряжения коллекторный ток транзистора VT1 увеличивается, а ток транзистора VT2- уменьшается, равновесие моста нарушается и через нагрузку течет ток, пропорциональный разности между двумя входами. Поэтому ДУ используется для усиления только разности входных напряжений, а не самих входных напряжений! Однако, выходной сигнал можно снимать и с каждого выхода «а» и «b» коллекторных резисторов относительно корпуса (земли), а не только с дифференциального выхода между этими клеммами. При идентичных транзисторах коэффициент усиления ДУ равен:

Кu = Uвых / (Uвх2 – Uвх1) ≈ - Rн / (h11б + Rн)

Для получения стабильных характеристик и уменьшения дрейфа нуля вместо резистора R3 применяют транзисторный генератор тока. В составе ОУ дифференциальный каскад ДУ обеспечивает коэффициент усиления по напряжению порядка 10-50 при входном сопротивлении от единиц до 1000МГом. Промежуточные каскады ОУ могут быть как типа ДУ, так и обычными на биполярных или полевых структурах. Оконечный каскад ОУ выполняется в виде эмиттерного повторителя и обеспечивает низкое выходное сопротивление (100-200 Ом).

Инвертирующий вход часто используется для введения в усилитель внешних обратных связей.

Рис. 2. Дифференциальныйусилительный каскад (а)

и его эквивалентная схема (б)

Рис. 3. Функциональная схема операционного усилителя

Дата добавления: 2015-12-07