Лекция №3.

Тема лекции:Операционные усилители и их применение.

Цель лекции: Изучение операционного усилителя, как основы построения всех современных аналоговых электронных устройств.

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного напряжения, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он используется в качестве отдельного элемента схемы или библиотечного элемента для создания интегральных микросхем более высокой степени интеграции. В принципе нет никакой разницы между обычным и операционным усилителями: оба применяются для усиления напряжений или токов. Но если свойства обыкновенного усилителя задаются его внутренним устройством, то операционный усилитель рассчитывается таким образом, чтобы его функции преимущественно определялись цепями внешней обратной связи. Для этого операционные усилители выполняются с большим коэффициентом усиления и связью по постоянному напряжению. Во избежание дополнительных мер для установки рабочей точки входной и выходной потенциалы задают равными нулю, поэтому операционному усилителю обычно требуется два источника питания – положительного и отрицательного напряжений. Подобные усилители, собранные на дискретных элементах (электронных лампах или транзисторах), применялись раньше исключительно в аналоговых вычислительных устройствах и для выполнения таких математических операций, как сложение и интегрирование. Отсюда и произошло само название операционных усилителей.

3.1 Общие сведения

Разнообразные операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем, мало отличаясь по размерам и стоимости от дискретных транзисторов. Благодаря во многом идеальным свойствам операционных усилителей, применять их значительно проще, чем дискретные транзисторы. Привлекательность классического ОУ связана его высокими параметрами на низких частотах. Однако первые операционные усилители были слишком инерционны, поэтому вскоре появились варианты с модифицированной архитектурой, обладающие хорошими высокочастотными характеристиками, так что к настоящему времени практически не осталось направлений, где бы дискретные транзисторы имели преимущества перед ОУ. Их внутреннее устройство рассматривается только для того, чтобы пояснить свойства интегральной схемы. Собственно внутренняя схема на транзисторном уровне интересна лишь как основа создания интегральных усилителей.

В идеальном ОУ усиливается только разность приложенных напряжений U_D =

= U_P – U_N. Неинвертирующий вход обозначают символом P, на схеме ему соответствует знак «+». Инвертирующий вход помечается символом N в тексте и знаком «–» на схеме (иногда вывод инвертирующего входа снабжается кружком). Операционный усилитель имеет два вывода для подключения питания, к одному из которых приложено положительное (относительно земли) напряжение питания, а к другому – отрицательное, чем обеспечивается равенство нулю входного и выходного потенциалов. У операционных усилителей иногда отсутствует вывод земли, хотя к нему относят входные и выходные напряжения. Обычное рабочее напряжение питания у схем универсального применения составляет ±15 В, хотя все чаще применяется напряжение ±5 В, и действует тенденция дальнейшего снижения напряжения питания. Типичное расположение выводов операционных усилителей показано на рис. 3.1. Поскольку часто в одном корпусе микросхемы содержится несколько ОУ, выпускаются также спаренные или счетверенные приборы, позволяющие экономить место и средства.

Рис. 3.1. Выводы операционного усилителя.

Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 3.2). Они различаются высоко и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех четырех типов является высокоомным.

Рис. 3.2. Схемные символы и передаточные функции четырех операционных усилителей.

3.2. Принцип обратной связи

Обратная связь рассматривается на примере операционного усилителя типа VV, как самого распространенного на практике. ОУ с отрицательной обратной связью можно трактовать как контур регулирования и применять к его схеме принципы автоматического управления. Общий вид контура регулирования представлен на рис. 3.3. Номинальное значение сигнала получают по входному параметру путем нормирования с помощью формирователя входного параметра, представленного здесь умножением на k_F. Действительное значение находят по выходной величине посредством нормирования с помощью регулятора, представленного здесь умножением на k_R. Разность между номинальным и действительными значениями умножается объектом регулирования на A_D. Из соотношения для рассогласования

следуют определения:

(3.1)

Усиление контура регулирования (см. рис. 3.3) рассчитывается по соотношениям

(3.2)

Рис. 3.3. Принципиальная блок-схема контура регулирования

В схеме ОУ объектом регулирования служит сам усилитель. Формирователь входного параметра и регулятор выполняются как внешние схемы операционного усилителя. Вычитание осуществляется с помощью инвертирующего входа операционного усилителя либо посредством внешней схемы.

Для примера рассмотрим инвертирующий усилитель. При этом, естественно, отрицательная обратная связь должна проходить от выхода к инвертирующему входу, дабы предотвратить появление положительной обратной связи. Однако входное напряжение приложено к опорной точке делителя напряжения обратной связи. В таком случае получится схема, показанная на рис. 3.4. Подставив k_f и k_r в (3.2), найдем

(3.3)

Следовательно, здесь мы имеем дело с инвертирующим усилителем. Это видно и по схеме, если на вход мысленно подать положительное напряжение. Поскольку оно попадает на инвертирующий вход через резистор R1, выходное напряжение оказывается отрицательным. У идеального операционного усилителя с A_D = ∞ модуль выходного отрицательного напряжения должен стать настолько большим,

что U_D = 0. На данном основании говорят о виртуальной земле. Для расчета выходного напряжения применим к инвертирующему входу первый закон Кирхгофа о сумме токов в узле, равной нулю, и получим:

Рис. 3.4. Включение операционного усилителя в качестве инвертирующего на примере VV-усилителя.

Указанные здесь значения k_f и k_r вытекают из определений в (3.1): а – модель согласно теории автоматического регулирования; б – инвертирующий усилитель.

Приведенное уравнение легко решается относительно U_a:

3.3. Схемы на операционных усилителях