Операционные усилители. Аналоговые вычисления. Устройство выборки и хранения. Компараторы

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий в полосе частот от нуля до десятков (сотен килогерц) коэффициент усиления до сотен тысяч. На его базе строятся функциональные блоки, воспроизводящие различные математические функции (операции).

Различают ОУ с биполярными транзисторами на входе и ОУ с полевыми транзисторами. Первые обладают хорошей стабильностью входного напряжения смещения, но у них весьма значительны входные токи и относительно мало входное сопротивление. Вторые характеризуются очень малыми входными токами и очень большим входным сопротивлением. Однако стабильность напряжения смещения оставляет желать много лучшего.

Операционный усилитель с одним входом

Приведенная на рисунке модель усилителя, может быть описана уравнением:

Если считать усилитель идеальным, т. е. U_см = 0; I_вх = 0; K = ¥; получим выражение

.

Если же коэффициент усиления усилителя не очень велик и мы не можем принять допущение, что K = ¥, но U_см = 0; I_вх = 0; товыражение для выходного напряжения будет равно:

Дифференциальный операционный усилитель

В настоящее время операционный усилитель (ОУ) – это, как правило, дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (более 10⁵) коэффициентом усиления. На рис.2 приведена упрощенная эквивалентная схема ОУ. Усилитель  имеет два дифференциальных (разностных) входа и один выход. На рисунке R_d. - входное сопротивление усилителя, включенное между двумя его входами U₁ и U₂ (так же обозначаются входные напряжения). Выходная цепь состоит из управляемого источника (генератора) напряжения и включенного последовательно с ним сопротивления R_вых Через входное сопротивление R_d протекает ток, определяемый разностью входных напряжений. Это напряжение умножается на коэффициент усиления усилителя K.

Напряжение на выходе U_вых зависит от входного дифференциального сигнала U_d, равного разности напряжений на входах, и от коэффициента усиления K усилителя. Полярность выходного напряжения совпадает с полярностью напряжения на входе «+» и противоположна полярности напряжения на входе «-». Поэтому вход «+» называется прямым, а вход «-» – инверсным.

Поскольку входным напряжением усилителя является разность напряжений U_d = U₁ - U₂, то U_вых = U_d´K = (U₁ - U₂) ´K.

Выходное напряжение интегрального ОУ, обычно, не превышает 10–15 В, а коэффициент усиления может достигать сотен тысяч. Поэтому разностное напряжение U_d ничтожно мало и его можно считать практически равным нулю. Например, максимальное выходное напряжение U_вых = 10 В, K = 10⁵, тогда U_d = 10^-4 В, т.е. 100 микровольт. Исходя из этого, в дальнейшем будем считать, что напряжения на неинверсном и неинверсном входах собственно усилителя равны между собой.

Для упрощения расчетов считаем ОУ идеальным, что означает:

·  Коэффициент усиления разомкнутого (без обратной связи) усилителя Kравен бесконечности.

·  Входное сопротивление R_d равно бесконечности.

·  Выходное сопротивление R₀ равно нулю.

·  Ширина полосы пропускания равна бесконечности.

·  Напряжение смещения нуля отсутствует, т.е. U₀ = 0 при U₁ = U₂.

На рис.3 приведена базовая схема инвертирующего усилителя. Коэффициент передачи такой схемы, с учетом перечисленных допущений, равен -R_0./ R_вх. Одной из особенностей данной схемы является сравнительно низкое значение входного сопротивления, равное R_вх.

На рис.4 показана схема неинвертирующего ОУ. С учетом предположения, что входное сопротивление собственно усилителя бесконечно велико, входной ток по инвертирующему входу равен 0, коэффициент передачи устройства равен (1+R₁ /R₂). Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя всегда положителен и не может быть меньше 1, а входное сопротивление очень велико.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления

Если у неинвертирующего усилителя принять величину резистора R₁ равной бесконечности, а R₂ – равной нулю, получим схему, приведенную на рис.5

Выходное напряжение такого усилителя повторяет входное. Возникает вопрос: зачем нужен такой элемент? Ответ достаточно прост. Такой ОУ имеет очень большое входное сопротивление, что обеспечивает развязку источника входного сигнала и последующей схемы. У некоторых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) входное сопротивление зависит от величины входного сигнала, что приводит к возникновению дополнительной погрешности. Применение повторителя напряжения обеспечивает постоянство входного сопротивления. В других случаях (например, при маломощном источнике входного сигнала) требуется высокоомная нагрузка, что так же обеспечивается использованием повторителя напряжений. Данная схема может быть очень полезной в качестве каскада, следующего за запоминающим конденсатором в устройствах выборки и хранения на входе АЦП.