Операционные усилители

Операционный усилительэто усилитель постоянного тока с очень высоким усилением. Обычно операционные усилители имеют коэффициент усиления от 20000 до 1000000. На рисунке изображено схематическое обозначение операционного усилителя.

Схематическое обозначение операционного усилителя

Вход, помеченный знаком (-), называется инвертирующим входом, а вход, помеченный знаком (+) — неинвертирующим входом.

На рисунке изображена блок-схема операционного усилителя.

Блоксхема операционного усилителя

Операционный усилитель состоит из трех каскадов. Каждый каскад является усилителем со своими характерными особенностями.

Входной каскад — это дифференциальный усилитель. Он позволяет операционному усилителю реагировать только на разность входных сигналов. Кроме того, дифференциальный усилитель усиливает сигнал, пропорциональный разности входных напряжений, и не реагирует на одинаковые сигналы на обоих входах. Это называется ослаблением синфазного сигнала. Ослабление синфазного сигнала полезно при измерении слабых сигналов на фоне шума с частотой 60 герц. Шум с частотой 60 герц является общим для обоих входов и поэтому он ослабляется, а операционный усилитель усиливает только малую разность сигналов на обоих входах. Амплитудно-частотная характеристика дифференциального усилителя обеспечивает усиление от области низких частот до постоянного тока. Это означает, что дифференциальный усилитель может усиливать не только низкочастотные сигналы переменного тока, но и сигналы постоянного тока.

Второй каскад — это усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления. Этот каскад состоит из нескольких пар транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, достигает усиления по напряжению в 200000 раз и более, обеспечивая большую часть усиления операционного усилителя.

Последний каскад — это выходной усилитель. Обычно это эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах. Он используется для того, чтобы операционный усилитель имел низкий выходной импеданс. Операционный усилитель может обеспечить несколько миллиампер тока нагрузки.

Операционные усилители рассчитаны на питание от двухполярного источника напряжения от ±5 до ±15 вольт. Положительный вывод источника питания должен обеспечивать от +5 до +15 вольт по отношению к земле, а отрицательный от -5 до -15 вольт по отношению к земле. Это позволяет выходному напряжению изменяться в сторону положительных и отрицательных значений по отношению к земле. Однако в некоторых случаях операционные усилители могут работать и от однополярного источника питания.

Принципиальная схема типичного операционного усилителя изображена на рисунке. Изображенный усилитель называется LM741 (отечественный аналог К140УД7).

Схема операционного усилителя

Этот операционный усилитель не требует частотной коррекции, защищен от короткого замыкания, не имеет проблем с запиранием. Хорошие эксплуатационные качества при низкой цене обеспечивают его широкое использование. Устройство, содержащее в одном корпусе два операционных усилителя LM741, называется LM747 (наш аналог КР140УД20). Благодаря отсутствию конденсаторов связи эти операционные усилители могут усиливать сигналы переменного и постоянного токов.

Нормальный режим работы операционного усилителя — это режим работы с обратной связью. В нем используется отрицательная обратная связь, что уменьшает общее усиление операционного усилителя, но обеспечивает лучшую стабильность.

При работе операционного усилителя с обратной связью, выходной сигнал подается на один из входов в качестве сигнала обратной связи. Этот сигнал обратной связи противодействует входному сигналу, так как находится в противофазе. Существуют две основные цепи с обратной связью: инвертирующая и неинвертирующая. Инвертирующая конфигурация более популярна.

На рисунке изображен операционный усилитель с инвертирующей обратной связью: входной сигнал подается на инвертирующий вход (-) через резистор R1 Обратная связь обеспечивается с помощью резистора R2.

Операционный усилитель в качестве инвертирующего усилителя

Величина сигнала на инвертирующем входе определяется как входным, так и выходным напряжением.

Знак минус указывает на то, что выходной сигнал отрицателен, когда входной сигнал положителен. Знак плюс указывает на то, что выходной сигнал положителен, когда входной сигнал отрицателен. Выходной сигнал сдвинут по фазе на 180 градусов по отношению ко входному. В зависимости от отношения резисторов R2 и R1 усиление инвертирующего усилителя может быть меньше, равно или больше 1. Когда усиление равно 1, его называют усилителем с единичным усилением, и используют для инвертирования полярности входного сигнала.

На рисунке изображен операционный усилитель с неинвертирующей обратной связью: выходной сигнал находится в фазе со входным.

Операционный усилитель в качестве неинвертирующего усилителя

Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение делится с помощью резисторов R2 и R1 для того, чтобы подать напряжение обратной связи на инвертирующий (-) вход. Усиление по напряжению по неинвертирующему входу всегда больше 1.

Коэффициент усиления операционного усилителя зависит от частоты. Обычно усиление, указываемое в справочных данных — это усиление по постоянному току. При увеличении частоты усиление уменьшается. Без использования методов увеличения полосы пропускания, операционный усилитель хорош только для усиления сигналов постоянного тока. Для расширения полосы пропускания используется обратная связь, уменьшающая усиление. Насколько уменьшается усиление, настолько увеличивается полоса пропускания. С помощью этого способа полоса пропускания операционного усилителя LM741 может быть увеличена до 1 мегагерца.

Рейтинг: 3.8 / Голосов: 5