Схема операционного усилителя

Рис. 13. Схема простейшего ОУ на биполярных транзисторах.

 

На схеме входной каскад (транзисторы Q1,Q2) выполнен по т.н. балансной схеме. Выходное напряжение этого каскада пропорционально разности напряжений на его входах (поэтому такие каскады ещё называют дифференциальными (но не дифференцирующими (!)). Обратите внимание, что схема ОУ питается от двух источников питания, что позволяет получать двухполярное выходное напряжение.

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

или так

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт.

Идеальный ОУ

Это гипотетический усилитель, не существующий в природе, но характеристики современных ИОУ настолько близки к идеальным, что при расчётах схем этой метафорой часто пользуются. Параметры идеального ОУ:

Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой

Разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю.

Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах.

 

Рис. 14. Идеальный ОУ

 

В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схемы на основе операционного усилителя

Операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход (отрицательная обратная связь) обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход (положительная обратная связь приводит к возбуждению автоколебаний и используется для построения генераторов колебаний. Работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

 

Рис. 15. Схема неинвертирующего усилителя

 

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже

 

Рис. 16. Схема инвертирующего усилителя.

 

Коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор входного сигнала

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально интегралу по времени от входного сигнала. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже

 

Рис. 17. Интегратор на операционном усилителе.

 

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Выходное напряжение определяется выражением:

Величина Т=R1*C1 называется постоянной интегрирования.

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия.