Общие сведения об операционных усилителях

Операционными называют усилители, предназначенные для выполнения различных математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование) над аналоговыми сигналами. Идеальный операционный усилитель (ОУ) имеет бесконечно большое входное сопротивление, вследствие чего I_вх®0; нулевое выходное сопротивление, обладает бесконечно большим и частотно независимым коэффициентом усиления К_д®¥, коэффициент передачи синфазного сигнала близко к нулю К_сф®0 и выполняется условие баланса при U_вх=0 U_вых=0. Таким образом, в настоящее время под операционным усилителем понимают ИМС, имеющую К=10⁸, широкую полосу пропускания (10-100) МгГц, R_bx =10¹¹ и позволяющую создавать при помощи некоторых навесных элементов функциональные устройства аналоговой обработки сигналов.

В настоящее время область применения ОУ значительно расширилась: на их основе можно создать широкий круг различных по назначению функциональных устройств, например, УВЧ, УПЧ, УНЧ, интегрирующие и дифференцирующие устройства, логарифмирующие устройства, активные фильтры, стабилизаторы напряжения и т. д.

ОУ представляет собой весьма сложное устройство и состоит из входного каскада (ДУ в режиме микротоков), обеспечивающего показатели по входной цепи (R^¢_вх, I_вх, U_др, К_осл); дифференциального усилителя напряжения, обеспечивающего основное усиление по напряжению; выходного усилителя, обеспечивающего основные показатели по выходной цепи. Таким образом, по принципу действия ОУ представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока. Однако, в отличие от многокаскадных усилителей, свойства и параметры ОУ определяются не его схемой, а преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Поскольку входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя, то операционный усилитель имеет два входа. Если увеличение входного напряжения, поданного на один из входов относительно общей точки, вызывает уменьшение выходного напряжения, то считают этот вход инвертирующим, и на схеме ОУ обозначают знаком "-". Другими словами, усиливаемый переменный сигнал, поданный на инвертирующий вход, меняет свою фазу на выходе ОУ на 180°. Другой вход является неинвертирующим и обозначается знаком "+". Коэффициенты усиления ОУ по этим двум входам одинаковы и противоположны по знаку. Наличие двух входов ОУ увеличивает возможности их применения. Так, например, на вход ОУ можно подавать сигнал как от симметричного источника сигнала (двухтактный предыдущий каскад), так и от двух отдельных источников. Очень часто усиливаемый сигнал подают только на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход используют для введения в схему усилителя глубокой ООС. Эта ООС определяет в конечном счете свойства и функции устройства, собранного на данном ОУ.

Операционный усилитель имеет несимметричный выход, что позволяет подключить нагрузку, имеющую общую точку с корпусом. Условием баланса ОУ является U_вых=0 при U_вх=0.

Надо отметить, что выходное напряжения ОУ может меняться в обеих полярностях относительно нуля. Получение такого выходного напряжения обеспечивается применением двухполярного источника питания, т. е. двух источников питания.