Операционные усилители. Операционные усилители с дифференциальными входами и одним выходом

~ ЛЕКЦИЯ 17 ~

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель (ОУ) – это универсальный усилитель с отрицательной обратной связью, изготовляемый на ИМС и выполняющий различные операции (сложение, вычитание, интегрирование и т.д.).

К ОУ предъявляют следующие требования:

-  R_BX>> R_ВЫХ;

-  стабильность коэффициента усиления;

-  низкий уровень шумов;

-  широкая полоса пропускания;

-  малые габариты;

-  высокая надежность;

-  низкая стоимость.

Рассмотрим ОУ с дифференциальными входами и одним выходом (рис. 45).

Рис. 45. Обозначение универсального ОУ.

Вход усилителя, по которому не меняется фаза сигнала на выходе (+U_BX соответствует +U_BЫX), обозначают «+» и называют прямым. Другой вход, по которому меняется фаза сигнала на выходе (+U_BX соответствует -U_BЫX), обозначают «-» и называют инверсным. Наряду с обозначением на рис. 45 в литературе широко используют и другое обозначение универсального ОУ (рис. 46).

Рис. 46. Универсальный ОУ.

Вход, обозначенный «» является инверсным.

Для выполнения всех перечисленных требований ОУ должен состоять из трех каскадов: входного, промежуточного и выходного.

Рассмотрим примеры использования операционных усилителей.

На рис. 47 приведена схема инвертирующего ОУ. В этом усилителе используется параллельная ОС по напряжению.

Рис. 47. Схема инвертирующего ОУ.

Коэффициент усиления можно определить как:

т.к.   а U_ВЫХ= -К×U_BX.

В этом усилителе U_ВЫХ= -К×U_BX.

На рис. 48 показан неинвертирующий ОУ. Усиливаемый сигнал подается на прямой вход, а сигнал ОС – на инверсный.

Рис. 48. Неинвертирующий ОУ.

В этом усилителе использована отрицательная последовательная связь по напряжению на делителе R_OC, R1. Функция усилителя – это усиление напряжения без инверсии

U_ВЫХ= К×U_BX,

.

На рис. 49 изображен повторитель на ОУ. В этом усилителе К » 1, R_BX ®¥, R_BЫX» 0 и U_ВЫХ»U_BX.

Рис. 49. Повторитель на ОУ.

Повторитель используют для согласования каскадов в многокаскадных усилителях и измерительных приборов с усилителями по сопротивлению.

Рассмотрим ОУ, выполняющие операции сложения (рис. 50, а) и вычитания (рис. 50, б).

а)

б)

Рис. 50. Сумматоры на ОУ: а – сложение входных сигналов; б – вычитание.

Для сумматора, выполняющего операцию сложения, U_ВЫХ можно определить как:

U_ВЫХ= -(K1×U_ВХ1 +K2×U_ВХ2),

K1 = R_OC /R1, K2 = R_OC /R2.

Если R1 = R2, то K1 = K2 = K и U_ВЫХ= -K(U_ВХ1 +U_ВХ2).

Можно реализовать сложение сигналов без усиления, если R1 = R2 = R_OC и K1 = K2 = 1.

U_ВЫХ= -(U_ВХ1 + U_ВХ2).

Сумматор, выполняющий операцию вычитания, имеет выходной сигнал равный:

U_ВЫХ=K2×U_ВХ2-K1×U_ВХ1,

Рассмотренные усилители могут усиливать и постоянные и переменные сигналы. На рис. 51 представлен усилитель переменного тока на ОУ.

Рис. 51. Усилитель переменного тока на ОУ.

Во входной цепи этого усилителя есть разделительный конденсатор, который служит для разделения входного сигнала по постоянному току.

Помимо арифметических операций ОУ могут выполнять операции интегрирования.

Интегратор на ОУ изображен на рис. 52, а, временные диаграммы работы интегратора на рис. 52, б.

а)

б)

Рис. 52. Интегрирующий усилитель на ОУ: а – схема; б – временная диаграмма работы.

Выходное напряжение в интеграторе изменяется по закону:

На рис. 53 показана схема дифференцирующего усилителя на ОУ.

Рис. 53. Дифференцирующий усилитель на ОУ.

Выходное напряжение этого усилителя пропорционально скорости изменения напряжения U_ВХ.

.

С помощью ОУ можно создать устройство, которое будет сравнивать напряжение входное U_BX и опорное U_ОП. Это устройство называют компаратор.

Рассмотрим компаратор, работающий при U_ОП= 0. Схема и временные диаграммы работы этого компаратора изображены на рис. 54.

а)

б)

Рис. 54. Компаратор на ОУ при U_ОП= 0: а – схема; б – временные диаграммы работы.

Если U_ОП¹ 0, то схема и временные диаграммы работы компаратора на ОУ будут выглядеть как на рис. 55.

а)

б)

Рис. 55. Компаратор на ОУ при U_ОП¹ 0: а – схема; б – временные диаграммы работы.

При достижении входным напряжением уровня опорного происходит изменение полярности напряжения на выходе. На основе компараторов создают устройства преобразования напряжения в частоту (ПНЧ).