Как графически изображается операционный усилитель?

Графическое изображение операционного усилителя показано на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Условное графическое обозначение операционного усилителя

Обычный операционный усилитель имеет два входных зажима. Если зажим, обозначенный «+», заземлен, а входной сигнал подводится к зажиму «—», то происходит инвертирование фазы между входом и выходом. Поэтому зажим, обозначенный «—», является инвертирующим входом операционного усилителя. Наоборот, если заземлен зажим «—», а сигнал подан на зажим «+», то инвертирования фазы между входом и выходом не происходит. Поэтому зажим «+» называют также неинвертирующим входом.

Реже встречаются операционные усилители с одним входом и с симметричным выходом. Усилитель с одним входом можно трактовать как вариант усилителя с заземленным входом «+».

Поскольку в обычном операционном усилителе есть два независимых входа, из которых один инвертирующий, а другой неинвертирующий, имеется возможность подведения к входным зажимам разностного сигнала. Если на оба входа будут поданы два одинаковых сигнала, то сигнал на выходе будет равен нулю, а входной сигнал такого типа называется неразностным сигналом (общим). Большая буква К, расположенная в графическом изображении операционного усилителя, обозначает усиление недогруженного усилителя с разомкнутой цепью ОС.

Какими свойствами должен обладать идеальный операционный усилитель?

Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие основные свойства: бесконечно большое усиление при разомкнутой цепи обратной связи (К —>

); бесконечно широкую полосу; бесконечно большое входное сопротивление (между входами, а также входами и массой); выходное сопротивление, равное пулю; выходное напряжение, равное пулю при возбуждении неразностным (общим) сигналом; идеальное дифференциальное усиление, а следовательно, бесконечно большое ослабление входного сигнала; независимость параметров от температуры.

Выпускают схемы с усилением 90 дБ, входным сопротивлением 1 МОм, затуханием паразитного сигнала 100 дБ, работающие в интервале температур от —55 до 125 °C. Ширина полосы пропускания не превосходит нескольких десятков мегагерц. Конечное значение ширины полосы и работа с ООС могут стать (из-за неустраненного фазового сдвига на высоких частотах) источником нестабильности операционных усилителей. Поэтому для предотвращения возникновения генерации применяется соответствующая частотная компенсация, задачей которой является уменьшение усиления в тех диапазонах частот, где велики фазовые сдвиги. Компенсация осуществляется с помощью RС-элементов, подключенных к соответствующим внутренним точкам операционного усилителя, выведенным наружу из схемы в процессе производства.

На чем основана работа операционных усилителей как усилительных схем?

На рис. 8.11 представлена простейшая схема операционных усилителей. Схема на рис. 8.11, а является усилителем, не инвертирующим фазу. Управляющее напряжение подводится к неинвертирующему входу, тогда как на инвертирующий вход подается часть выходного напряжения с помощью резистивного делителя R₁R₂. Коэффициент усиления схемы выражается следующим образом:

K = U₂/U₁ = (R₁ + R₂)/R₁

и зависит только от сопротивлений резисторов в цепи ОС. Эти сопротивления должны быть выбраны таким способом, чтобы сопротивление их параллельного соединения было равно сопротивлению источника.

Используя в неинвентирующем усилителе R₁ =

, получаем коэффициент усиления по напряжению, равный единице. При этом схема работает, как повторитель напряжения (рис. 8.11, б). Из-за максимального входного сопротивления усилитель называют иногда сепаратором с единичным усилением.

Рис. 8.11. Основные схемы с операционными усилителями:

_{а — усилитель без изменения знака: б — повторитель напряжения; в — усилитель с изменением знака; г — разностный усилитель}

На рис. 8.11, в представлен инвертирующий усилитель. Входной сигнал через резистор R₁ подается на инвертирующий вход. На этот же вход через резистор R₂ поступает с выхода напряжение ООС. Неинвертирующий вход заземляется. Коэффициент усиления схемы зависит от отношения сопротивлений резисторов R₁ и R₂

K = U₂/U₁ = — R₂/R₁ 

и может быть меньше или больше единицы. В особом случае, когда R₂ = R₁ схема имеет коэффициент усиления, равный единице, и меняется лишь полярность выходного сигнала по сравнению с полярностью входного. Поэтому схему называют иногда схемой изменения знака.

Операционный усилитель может выполнять функцию разностного усилителя с ОС, служащего для вычитания или взаимной компенсации двух напряжений. При обеспечении отношения R₂/R₁  = R₄/R₃  выходное напряжение должно быть пропорционально разности входных напряжений, подведенных от отдельных источников К инвертирующему и неинвертирующему входам (рис. 8.11. г).

Может ли операционный усилитель выполнять математические операции?

Да. Помимо уже упомянутых функций изменения знака и вычитания операционный усилитель может простым способом осуществлять операции сложения, интегрирования и дифференцирования, благодаря чему находит широкое, применение в аналоговых вычислительных машинах.

Суммирующий усилитель (рис. 8.12) является особым случаем усилителя, инвертирующего фазу. Подлежащие суммированию напряжения подаются на три входа, отдаленные от входа операционного усилителя резисторами R₁ — R₃. Усиление этой схемы для каждого из входов равно отношению сопротивления резистора R₄ к сопротивлению соответствующего входного резистора.

Рис. 8. 12. Суммирующий усилитель

При подборе одинаковых сопротивлений R₁ = R₂ = R₃ = R₄ на выходе получают алгебраическую сумму напряжений. Примером использования суммирующей схемы может быть схема, микширующая несколько акустических сигналов, например сигналы с трех микрофонов, которые должны усиливаться общим усилителем мощности.

Интегрирующая схема, или интегратор, представлена на рис. 8.13. Как известно, интегрирующей схемой называется RС-фильтр нижних частот (рис. 8.13, а), у которого выходное напряженно пропорционально интегралу входного напряжения. Аналогичный эффект, но с усилением, получаем при использовании конденсатора в цепи ОС операционного усилителя (рис. 8.3, б).

Рис. 8.13. Интегрирующая схема: