2.2. Линейные устройства на операционных усилителях

Анализ схем, в которые входит ОУ, можно существенно упростить, если использовать понятие идеального ОУ. Принято считать, что идеальный ОУ обладает следующими свойствами:

• бесконечным коэффициентом усиления по напряжению дифференциального сигнала (К_u → ∞);

• бесконечным входным сопротивлением (R_ВХ→ ∞);

• нулевым выходным сопротивлением (R_ВЫХ→ 0);

• равенством нулю выходного напряжения при равных напряжениях на входах;

• бесконечно широкой полосой пропускания (0…∞ Гц);

• уровень шума U_ш=0.

В зависимости от конкретного применения ОУ в реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные со спецификой данного устройства.

Очень большой коэффициент усиления К_u→∞ создает возможность введения очень глубокой отрицательной обратной связи, что позволяет добиться минимальных линейных и нелинейных искажений, стабилизировать параметры ОУ при изменениях параметров питающих напряжений.

Большое R_ВХ свидетельствует о том, что ОУ практически не потребляет энергии от источника сигнала, поэтому к его входу может быть подключен источник сигнала с любым внутренним сопротивлением.

Очень малое сопротивление R_ВЫХ позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Наличие низкого уровня шума означает, что реальная чувствительность ОУ очень велика, поэтому ОУ способен усиливать самые слабые сигналы.

Операционный усилитель как линейное устройство, обеспечивающее минимальные искажения входного сигнала, редко используется без обратной связи. Это объясняется тем, что из-за очень большого значения коэффициента усиления ОУ без обратной связи даже при сравнительно малом входном дифференциальном напряжении выходное напряжение может достигать предельных значений U_выхmax, ограничиваясь и искажаясь. При использовании же отрицательной обратной связи можно подобрать необходимое значение коэффициента усиления ОУ и обеспечить его стабильность в заданных пределах.

ОУ используются для построения различных устройств, предназначенных для преобразования сигналов. Ниже будут рассмотрены только некоторые из устройств, осуществляющих линейные преобразования. На рис.2.3 приведены схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей, коэффициенты усиления которых на частотах, лежащих в пределах полосы пропускания, даются соответственно выражениями:

; .

Для уменьшения влияния изменений входных токов, обеспечивающих смещение транзисторов входного дифференциального каскада ОУ, в базовых цепях обоих входов ОУ желательно иметь одинаковые сопротивления. Поэтому в приведенных схемах включены резисторы R₃. В схеме на рис.2.3,а R₃ = (RR_oc), а в схеме на рис.2.3,б R₃ = (R₁R₂). При выполнении этих условий изменения входных токов вызовут одинаковые изменения входных напряжений, которые компенсируют друг друга.

С хема повторителя напряжения приведена на рис.2.3,в. Выражение для коэффициента усиления можно получить из K^н_uoc, положив R₂ = 0.

Если к инвертирующему входу в схеме на рис.2.3,а через соответствующие резисторы подключить несколько различных сигналов, то можно построить инвертирующий суммирующий усилитель (сумматор) нескольких сигналов. На рис.2.4,а приведена схема двухвходового сумматора. Напряжение на выходе ОУ равно инвертированной сумме входных напряжений сигналов, взятых с соответствующими весовыми коэффициентами, определяемыми отношениями сопротивления резистора R_oc и сопротивлениями соответствующих входных резисторов R₁ и R₂:

.

В данной схеме величина сопротивления R₃ выбирается из условия R₃ = = R₁R₂R_oc. Если входные резисторы равны, т. е. R₁ = R₂ = R, то

П ри R_ос/R = 2 сумма входных сигналов делится на два, т.е. происходит усреднение выходного напряжения. Схема вычитающего усилителя приведена на рис.8.7,б. Она является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего включения 0У. Можно показать, что в этом случае выходное напряжение определяется выражением:

.

Если R₃ = R_ос и R₂= R₁, то