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 показателей 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 будут незначительны.

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

ОУ используются для построения различных устройств, предназначенных для преобразования сигналов. Ниже будут рассмотрены только некоторые, осуществляющие линейные преобразования. На рис. 2.2 приведены схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей, коэффициенты усиления которых на частотах, лежащих в пределах полосы пропускания, даются соответственно выражениями:

, .

Д ля уменьшения влияния изменений входных токов, обеспечивающих смещение транзисторов входного дифференциального каскада ОУ, в базовых цепях обоих входов желательно наличие одинаковых сопротивлений. Поэтому в приведенные схемы включены резисторы R3. В схеме на рис. 2.2, а R3 = (R  R_OC), а в схеме на рис. 2.2, б R3 = (R1R2). При выполнении этих условий изменения входных токов вызовут одинаковые приращения входных напряжений, которые компенсируют друг друга.

Схема повторителя напряжения приведена на рис. 2.2, в. Выражение для коэффициента усиления можно получить из K^Н_UOC, положив R2 = 0.

Е сли к инвертирующему входу в схеме на рис. 2.2, а через соответствующие резисторы подключить несколько различных сигналов, то можно построить инвертирующий суммирующий усилитель (сумматор) нескольких сигналов. На рис. 2.3 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 (R1 = R2 = R), то