Основные сведения об операционных усилителях

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

На рис.1 представлено обозначение наиболее распространенного типа операционного усилителя, выходное напряжение которого пропорционально разности входных напряжений.

;

где - коэффициент усиления операционного усилителя,

- напряжения на входах усилителя

Рис.1 Условное обозначение операционного усилителя и название его выводов.

Как видно из схемы и формулы, входы усилителя неравнозначны. Вывод, который обозначается на схеме кружочком или знаком «минус», называется инвертирующим. Появление на нем положительного потенциала () вызовет появление отрицательного потенциала и наоборот.

Другой вход () называется неинвертирующим или прямым (обозначается знаком плюс или вообще никак не обозначается). Появление на нем положительного потенциала вызовет появление положительного потенциала и наоборот, отрицательный потенциал на входе вызовет отрицательный потенциал на выходе.

Наименование «операционный» по традиции присваивается усилителю, с помощью которого можно решать операторные уравнения, если выход операционного усилителя (ОУ) через соответствующие пассивные цепи отрицательной обратной связи (ООС) замкнуть на инвертирующий вход. В этом случае передаточная характеристика замкнутой системы с большой точностью определяется передаточной характеристикой цепи ООС и практически не зависит от параметров самого ОУ.

Идеальный ОУ должен обладать следующими свойствами:

- иметь бесконечно большое входное сопротивление;

- иметь нулевое выходное сопротивление;

- коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности в бесконечно широкой полосе частот.

Эти свойства теоретически полностью достигнуты быть не могут, т. к. выполнение части из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры. Поэтому можно говорить лишь о доступной степени приближения параметров ОУ к идеальным параметрам.

Докажем два свойства идеального ОУ:

1. Входы идеального ОУ не потребляют ток от цепи источника сигнала.

2. Между прямым и инверсным входом идеального ОУ напряжение управления равно нулю.

Рис.2 К расчету коэффициента усиления ОУ при подаче сигнала на инверсный вход.

Входным (управляющим) напряжением для ОУ считается разность напряжений между прямым и инверсным входом. Считаем, что выходное напряжение имеет конечное значение. При бесконечно большом коэффициенте усиления это может быть только в одном случае, когда (математически – это неопределенность вида ). Если , то ток через входное сопротивление также равен нулю, а по первому закону Кирхгофа . Тогда , а . Приравняем эти два значения тока . Отсюда можно вывести коэффициент усиления для инвертирующей схемы включения, когда входной сигнал подается на инверсный вход:

;

Знак минус показывает, что сигнал при усилении инвертируется.

Теперь рассмотрим неинвертирующее включение ОУ, где сигнал подается на прямой вход.

Рис.3 К расчету коэффициента усиления ОУ при подаче сигнала на прямой вход.

Согласно вышерассмотренным правилам напряжение на входе ОУ равно нулю, т. е. потенциалы точек прямого и инверсного входов равны. Потенциал прямого входа относительно корпуса , а потенциал инверсного входа . Приравняем эти значения:.

;

Отсюда находим, что коэффициент передачи равен:

;

Теперь рассмотрим схему включения ОУ, в которой можно установить постоянное напряжение на выходе ОУ. Данную схему можно рассмотреть как неинвертирующий усилитель, на вход которого подается напряжение смещения. Напряжение смещения образуется делителем R4 и R3, подключенным к напряжению питания .

;

Коэффициент передачи ОУ будет определяться цепью отрицательной обратной связи на инверсный вход.

Рис.4. Подача напряжения смещения на операционный усилитель.

Коэффициент передачи ОУ по прямому входу равен , тогда постоянное напряжение на выходе будет равно:

;

ПРИМЕР

Рассчитать , и для приведенной ниже схемы.

Рис.5 Схема для расчета постоянного напряжения на выходе ОУ.

;

;

.

Рассмотрим применение ОУ как усилителя аналоговых сигналов. Как видно из приведенного выше примера коэффициент усиления ОУ по напряжению составляет всего 1,5. А одиночный транзистор усиливает в десятки раз. В этом случае применяется схема, изображенная на рис.6.

Рис.6 Применение ОУ в качестве усилителя низкой частоты.

В этой схеме напряжение смещения образуется также, как и в схеме, изображенной на рис.5:

;

Коэффициент усиления по постоянному напряжению и рассчитываются аналогично:

;

.

А по переменному напряжению резистор зашунтирован (закорочен) конденсатором С2.Тогда усиление по сигналу переменного напряжения будет равно:

.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Могут ли операционный усилитель, изображенный на рис.7 без искажений усиливать синусоидальный сигнал?

Рис.7 К вопросу 1.

Нет, не может. Положительна полуволна синусоиды передастся без искажений. Отрицательную полуволну ОУ передать не может, т. к. источник питания может обеспечить на выходе ОУ напряжения в пределах от 0 до +12В, а отрицательное напряжение источник не обеспечивает.

Рис.8. Сигнал на выходе ОУ.

2. Можно ли подавать напряжение смещения на инвертирующий вход ОУ?

Нет, нельзя. Положительный потенциал на инвертирущем входе должен вызвать отрицательное напряжение на выходе. Источник питания может обеспечить только напряжение от 0 до 12В на выходе. Т. е. ОУ встанет в положение, когда на выходе будет 0В, и никакой сигнал через ОУ не пройдет.

3. Как производить регулировку усиления сигнала в ОУ?

Рис.9 Регулировка усиления в цепи обратной связи ОУ.

Для регулировки усиления в цепь обратной связи по переменному току последовательно с конденсатором С2 введен переменный резистор R1с.

Коэффициент усиления будет равен:

:

Изменяя значение R1с можно регулировать коэффициент усиления.

Рис.10 Схема электрическая операционного усилителя 1450УД1.

ПРИМЕР ДЛЯ МОДУЛЬНОЙ РАБОТЫ

В указанной схеме рассчитать постоянный уровень на выходе операционного усилителя и коэффициент усиления операционного усилителя. Считать внутреннее сопротивление генератора сигнала Uс равным нулю.

Напряжение смещения на прямом входе

;

Коэффициент передачи по постоянному напряжению с прямого входа

;

Постоянное напряжение на выходе операционного усилителя

.

Коэффициент усиления сигнала по инверсному входу

;

Дата добавления: 2015-08-27