Теоретичні відомості і методичні вказівки

Підсилювач називається операційним тому, що він може використовуватися для виконання різних математичних операцій над сигналами: алгебраїчного додавання, віднімання, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування і т.д. Операційним часто називають підсилювач напруги з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений колом негативного зворотного зв'язку, що визначає основні якісні показники і характер виконуваних підсилювачем операцій. Сучасний ОП виконується на базі інтегральної мікросхеми операційного підсилювача (ІМС ОП), до виводів якої, крім кола негативного зворотного зв'язку, підєднуються джерела живлення, вхідних сигналів, опір навантаження, кола корекції частотних характеристик ОП в інтегральному виконанні та інші кола.

ОП - це підсилювач постійного струму (ППС), його амплітудно-частотна характеристика не має завалу в області низьких частот, оскільки ОП не містить розділових конденсаторів. Для того щоб під час відсутності вхідних сигналів потенціал виходу можна було привести до нуля (до потенціалу землі), живлення ОП роблять двополярним і ,зазвичай, симетричним (наприклад, ±:5 В).

На рис. 2.1 приведені амплітудні характеристики ОП для випадків: а — вхідний сигнал подається на вхід 2, що інвертує, а вхід 1, що не інвертує, заземлений ( протифазна Uвх2); б - вхідний сигнал подається на вхід, що не інвертує, 1, а вхід, що інвертує, 2 заземлений ( синфазна ). Вихідна напруга знімається відносно середньої точки джерел живлення Е_П1 і Е_П2 (землі). Якщо U_вх = 0, то і = 0, що відображує умову балансу ОП. За відсутності зовнішнього кола зворотного зв'язку нахили амплітудних характеристик 1, 2 визначаються коефіцієнтом підсилення напруги ОП . Характерною для амплітудних характеристик ОП є наявність двох областей насичення: +Uвих. нас і -Uвих. нас , при досягненніяких вихідна напруга залишається постійною і не залежить від змін вхідної напруги. ОП в інтегральному виконанні характеризується великим коефіцієнтом підсилення напруги, високими вхідними і низьким вихідним опорами.

В залежності від того, на які входи ОП подаються вхідні сигнали, розрізняють дві схеми включення ОП в інтегральному виконанні: інвертуюча, неінвертуюча. Ці схеми мають ряд загальних особливостей: 1 - наявність елементів негативного зворотного зв'язку (НЗЗ); 2- при виведенні аналітичних виразів для оцінки основних параметрів ОП приймають значення , тому що ІМС ОП має дуже високий коефіцієнт підсилення напруги ( ); 3 - вхідний струм вважають рівним нулеві, тому що ІМС ОП має високий вхідний опір ( ).

Схема включення операційного підсилювача в інвертуючому режимі представлена на рис. 2.2, а. У цій схемі вхідний сигнал подається на вхід, що інвертує, ІМС ОП, а його вхід, що не інвертує, заземлений. Підсилювач називається інвертуючим, тому що вихідна напруга U_вих інвертована (протифазна) стосовно вхідної напруги U_BX. Негативний зворотний зв'язок створюється за допомогою резисторів R2>R1 (рівнобіжна НЗЗ по напрузі).

(2.1)

Оскільки диференціайна вхідна напруга ІМС ОП , а , то:

(2.2)

Вихідна напруга в останньому виразі входить зі знаком мінус, тому що вона протифазна вхідній напрузі.

На підставі співвідношення 2.2 одержимо вираз для визначення коефіцієнта підсилення напруги схемою інверсного підсилювача:

. (2.3)

Якщо ввести позначення глибини НЗЗ:

, (2.4)

яка при виконанні умови R₂ > R1 дорівнює:

,

то:

. (2.5)

Якщо R1=R2, то і ОП стає інвертуючим повторювачем напруги, у якого:

. (2.6)

Вхідний опір що інвертує ОП:

, (2.7)

а вихідний опір:

. (2.8)

Вхід, що не інвертує, ІМС ОП через резистор R3 з'єднаний із землею, тому його потенціал дорівнює нулеві а, отже, дорівнює нулеві і потенціал входу, що інвертує, тому що . Тому на входах даної ІМС ОП синфазний сигнал відсутній. Тому що R_вх реальної мікросхеми ОП не дорівнює нескінченності, то через її входи протікають незначні вхідні струми, що при Uвх = 0 можуть викликати випадкові зміни вихідного сигналу. Для їхньої компенсації потрібно забезпечити рівність опорів входів ІМС ОП. Тому в схему введений резистор . Інвертуюча схема включення ОП (рис. 2.2, а) може використовуватися для зміни масштабу вхідної напруги множенням його на постійний коефіцієнт ( , а також для алгебраїчного підсумовування вхідних сигналів (як аналоговий суматор, рис. 2.2, б). Напруга на виході такої схеми:

. (2.8)

Якщо R₁=R₂=R, то:

(2.9)

Схема включення операційного підсилювача в неінвертуючому режимі представлена на рис. 2.3, а. У цій схемі вхідний сигнал подається на вхід, що не інвертує, ІМС ОП, а на його вхід, що інвертує, за допомогою дільника вихідної напруги, виконаного на резисторах Rl, R2, подається напруга НЗЗ . У схемі діє послідовна НЗЗ по напрузі, глибина якого:

, (2.10)

а диференціальна напруга, прикладена до ІМС ОП:

. (2.11)

Тому що коефіцієнт підсилення напруги ІМС ОП , те і

. (2.12)

З цього співвідношення випливає, що коефіцієнт підсилення напруги схемою що не інвертує ОП

Вхідний опір ОП, що не інвертує:

, (2.14)

а вихідний опір:

(2.15)

У даному включенні ІМС ОП потенціали його входів як і раніше приблизно однакові, тому що , і дорівнюють значенню U_вх, тобто на входах ІМС ОП діє синфазний сигнал, значення якого близько до U_вх. При виконанні умов R₁= 0, R₂ = ∞ вираз (2.13) прийме вид:

,

тому як операційний підсилювач буде виконувати функцію повторювача напруги, що не інвертує, у якого Uвих =Uвх (рис. 2.3, б).

Неінвертуюча схема включення ОП (рис. 2.3, а) може використовуватися для зміни масштабу вхідної напруги множенням його на постійний коефіцієнт ( , а також для алгебраїчного підсумовування вхідних сигналів (як аналоговий суматор, рис. 2.2, в). Напруга на виході такої схеми:

(2.16)