Операционные усилители

1.

Кафедра Энергетика
Предмет
ЭЛЕКТРОНИКА
Тема лекции
Старший
преподаватель
Сиверская Татьяна
Ивановна
Операционные усилители.

2.

Операционным усилителем (ОУ) называется высококачественный интегральный
усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и одним выходом, предназначенный
для прецизионного выполнения математических операций и обладающий достаточно большим
коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями.
Операционные усилители выполняют роль многофункциональных узлов при реализации
разнообразных устройств электроники различного назначения.
Дифференциальный вход предполагает наличие в ОУ двух входов относительно корпуса,
из которых один из них должен быть инвертирующим, а другой – неинвертирующим.
Инвертирующим входом называется тот, при действии на который входным сигналом на выходе
возникает сигнал, отличающийся по фазе от входного.
Выпускаемые промышленностью ОУ имеют собственный коэффициент усиления (без
обратной связи) μ=103…107 и полосу пропускания от 0 до 10 ГГц.
Операционные усилители – это аналоговые интегральные микросхемы с малыми
габаритами, потребляемой энергией и стоимостью, самые простые в обращении и самые
распространенные.

3.

Операционные усилители (ОУ), независимо от назначения, характеристик и параметров,
имеют общие принципы схемотехнического построения. Операционный усилитель – это
модульный многокаскадный усилитель, свойства которого близки к идеальным. В качестве
входного каскада ОУ служит дифференциальным каскад (ДК), являющийся наиболее
ответственным, поскольку именно им определяется величина входного сопротивления и в нем
минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига. За входным
каскадом следует один или несколько промежуточных. Они обеспечивают уменьшение
напряжении покоя на выходе ОУ до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и току. В
промежуточных каскадах используют как дифференциальные усилители так и однополюсные
схемы. Оконечный каскад должен обеспечивать низкое выходное сопротивление и ток,
достаточный для питания нагрузки. В качестве оконечного используется простой или
комплементарный эмиттерный повторитель

4.

Идеальные и реальные операционные усилители.
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно большое входное сопротивление.
Это означает, что во входной цепи отсутствует ток. Практически входное сопротивление не
бесконечно большое. В простейших усилителях оно составляет около сотни килоОм, а в
большинстве случаев более мегаОма. Это означает, что входной ток в таком усилителе может
составлять единицы пикоАмпер.
Собственный коэффициент усиления по напряжению μ в идеальном ОУ равен
бесконечности. В реальных ОУ значение коэффициента усиления при отсутствии цепи обратной
связи составляет десятки и сотни тысяч.
Выходное сопротивление идеального ОУ должно равняться нулю. В реальности rвых
составляет сотни или десятки Ом.
Идеальный ОУ обладает бесконечно большой полосой пропускания и усиливает любой
сигнал, поданный на вход, независимо от его частоты, в том числе и с частотой, равной нулю, то
есть постоянный ток. Полоса пропускания реального ОУ составляет не более нескольких
мегаГерц.
Идеальный ОУ не должен вносить шум в усиливаемый сигнал. К сожалению, абсолютное
большинство реальных ОУ далеки от этого идеала и не могут быть использованы в качестве
малошумящих усилителей.

5.

Условные обозначения и типовые схемы включения операционных усилителей.
На рисунке показаны условные обозначения ОУ. Выходной сигнал всегда совпадает по
фазе с сигналом на неинвертирующем входе (ВХН), при этом инвертирующий вход (ВХИ),
обозначаемый кружком или знаком минус, подключается через резистор к корпусу. Такое
включение ОУ называется неинвертирующим усилителем.
Подключение неинвертирующего входа к корпусу и
подача входного сигнала на инвертирующий вход приводят к
появлению на выходе напряжения, противоположного
входному сигналу по фазе. Такое включение ОУ называется
инвертирующим усилителем.
Выводы питания +UП l и – UП2 , подключаемые к
симметричному относительно корпуса источнику питания UП,
на схемах обычно не показывают (как и другие
вспомогательные
цепи,
предписанные
техническими
условиями по применению конкретных ОУ), но их
подключение обязательно.

6.

Инвертирующий усилитель
На рисунке показана схема инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход подключен к
корпусу, и согласно свойствам идеального ОУ, на инвертирующем входе также всегда имеет место
нулевой потенциал, хотя физически последний не подсоединен к корпусу.
Идеальный ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление rд. Согласно уравнению
Кирхгофа для точки инвертирующего входа I1 + I0 = 0, так как ток инвертирующего входа IИ = 0.
Поэтому:
U
U
R
R
I1 I 0
ВХ
R1
ВЫХ
R2
U ВЫХ U ВХ
1
R2
KU
2
R1
Подбором
резисторов
определяется
усиление
инвертирующего
усилителя,
охваченного
глубокой
отрицательной обратной связью.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя
определяется только резистором R1, так как он оказывается
подключенным к корпусу из-за наличия виртуального нуля в
ОУ. Величина входного сопротивления ограничивается
физически выполнимым значением резистора R1 и
конечным значением собственного коэффициента усиления
µ.

7.

Неинвертирующий усилитель
В этой схеме входной сигнал подан на неинвертирующий вход. Выходное напряжение
совпадает по фазе со входным сигналом.
R1
U
U
U
И
ООС
ВЫХ
Сигнал ООС равен сигналу на инвертирующем входе:
R1 R2
В идеальном усилителе потенциал обоих входов
всегда одинаков (Uд = 0), следовательно:
U ВХ U Н U И U ООС U ВЫХ
R1
;
R1 R2
R2
U ВЫХ U ВХ
1
;
R
1
R
KU 1 2 .
R1
Неинвертирующий усилитель в любом случае имеет коэффициент усиления не менее
единицы. Его входное сопротивление очень высоко и ограничено только собственным входным
дифференциальным сопротивлением rд. Такой усилитель целесообразно использовать в случае
высокоомных источников сигнала или когда нежелательно шунтировать предыдущую схему.