Операционные усилители (ОУ).

ОУ в интегральном исполнении в настоящее время составляют основу аналоговых интегральных схем.

К классу ОУ относят многокаскадные усилители постоянного тока с обратными связями, которые используют в аналоговой вычислительной технике для выполнения операций алгебраического сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д.

Интегральные ОУ обычно строят по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратных связей. ОУ имеет также два выхода (рис.1, а), с которых можно снять два противофазных напряжения U_вых1 и U_вых2. Причем каждое из выходных напряжений может быть положительно или отрицательно относительно потенциала общей (заземленной) точки двух источников питания +U_ипи –U_ип. Оба разнополярные выходные напряжения должны иметь примерно одинаковый уровень, в связи с чем требуется равенство по абсолютному значению обоих источников питания.

Большинство стандартных интегральных ОУ имеет один выход (рис.1, б). При этом выходное напряжение U_вых находится в фазе с напряжением U_вх1 и противофазно напряжению U_вх2.

Рис. 1

Напряжение, приложенное непосредственно между входами, равно разности напряжений U_вх1 и U_вх2. Выпускаемые ОУ характеризуются большим входным и низким выходным сопротивлениями, а также высоким коэффициентом усиления. Представляя ОУ идеальной моделью, считают, что K_U→∞, R_вх→∞, R_вых→0, они имеют бесконечно широкую полосу частот, начиная с частоты f=0; постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот; отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

Инвертирующее и неинвертирующее включение ОУ.

В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливае­мого сигнала, а также с учетом подключения внешних компонентов можно получить инвертирующее и неинвертирующее включения усилителя.

Рис. 4.37

Модель неинвертирующего ОУ показана на рис. 4.37, а. Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R₁R₂,пропорционально выходному напряжению усилителя. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

K_U=1/β_U=(R₁+R₂)/R₂=1+R₁/R₂ (4.43)

Если R₁=0, то К_U=1, R_вх=R₂ и ОУ становится неинвертирующим повторителем напряжения. Однако такой повторитель передает постоянное напряжение (конденсатор С₁ при этом исключается), не внося дополнительного сдвига фазы.

Входное сопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратной связи велико:

R_вх=R_вх.м(1+β_U K_U) (4.44)

где R_вх.м — собственное входное сопротивление микро­схемы; K_U — коэффициент усиления микросхемы без обратной связи.

Выходное сопротивление реального неинвертирующего усилителя мало:

R_вых=R_вых.м [1/(1+β_U K_U)] (4.45)

где R_вых.м — собственное выходное сопротивление микросхемы.

Принципиальная схема неинвертирующего усилителя переменного тока на микросхеме 140УД1А показана на рис. 4.37, б. Верхняя частота полосы пропускания усилителя такая же, как и в усилителе на рис. 4.36, б.