4.5. Операционные усилители

Операционным усилителем называется усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом. Он отличается высоким коэффициентом усиления (в идеале бесконечным), а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Поэтому операционные усилители строятся с использованием полевых транзисторов. Этот усилитель практически всегда используется с глубокой внешней отрицательной обратной связью.

Структурная схема операционного усилителя приведена на рис.4.5.1,а. Первый каскад является дифференциальным усилителем и имеет два входа: инвертирующий (обозначен знаком “-”) и прямой (обозначен знаком “+”). Второй каскад представляет собой обычный усилитель постоянного тока.

Вх1 +Ек

Вх1 Вых

Диф. УПТ Вых Вх2

ус-ль

Вх2 а) б) -Ек

Рис.4.5.1. Структурная схема (а) и условное обозначение (б) операционного усилителя.

Условное изображение операционного усилителя приведенного на рис.4.5.1,б. Из этого рисунка видно, что операционный усилитель имеет, как минимум, 5 (пять)

- 152 -

выходных клемм: две входных, одна выходная и две клеммы источника питания. Дополнительные клеммы служат для подключения различных корректирующих цепей.

4.5.2. Устройства на операционном усилителе

Рассмотренная в предыдущем разделе схема включения операционного усилителя (ОУ) может суммировать и вычитать напряжения, интегрировать, дифференцировать и логарифмировать входные сигналы и выполнять ряд других операций.

Рассмотрим некоторые из них.

а) Сумматор с инвертированием (рис.4.5.3)

Z1 Z6

Z2 _

+

Рис.4.5.3. Сумматор напряжений с инвертированием на ОУ.

Для этой схемы справедливы соотношения , а .

Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:

. (4.5.17)

б) Сумматор без инвертирования (рис.4.5.4)

-

Z3

+

Z4 Z5

Рис.4.5.4. Сумматор без инвертирования на ОУ.

- 155 -

Для этой схемы справедливы соотношения , а .

Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:

. (4.5.18)

в) Вычитатель (рис.4.5.5)

Z1 Z6

-

Z3

+

Z5

Рис.4.5.6. Вычитатель напряжений на ОУ.

Для этой схемы справедливы соотношения , а .

Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:

. (4.5.19)

г) Интегратор (рис.4.5.6)

R С

_

+

Рис.4.5.6. Интегратор на операционном усилителе.

Для этой схемы справедливы соотношения , а .

Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:

, (4.5.20)

- 156 -

а передаточная характеристика в комплексном виде примет вид

. (4.5.20)

Выражение (4.5.20) описывает передаточную характеристику в комплексном виде идеальную интегрирующую цепь (см. раздел “Синтез интегрирующих цепей”).

д) Дифференциатор (рис.4.5.7)

С R

_

+

Рис.4.5.7. Дифференцирующее устройство на операционном усилителе.

Для этой схемы справедливы соотношения , , а .

Тогда уравнение (4.5.16) примет вид:

, (4.5.21)

а передаточная характеристика в комплексном виде примет вид

. (4.5.22)

Выражение (4.5.20) описывает передаточную характеристику в комплексном виде идеальную дифференцирующую цепь (см. раздел “Синтез дифференцирующих цепей”).

е) Логарифмирующее устройство (рис.4.5.8)

R С

_

+

Рис.4.5.8. Логарифмирующее устройство на операционном усилителе.

- 157 -

Для этой схемы справедливы соотношения , , а , а роль выполняет диоды с плоскостным p – n переходом.

Известно, что вольтамперная характеристика p – n перехода описывается равенством

, (4.5.23)

где , k - постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона, падение напряжения на диоде, μ близко к единице. . При комнатной температуре . Логарифмируя (4.5.23), получаем

. (4.5.24) Ток через сопротивление R, являющийся также и током через диод, при условии малого сопротивления открытого диода и малого выходного сопротивления операционного усилителя

и . (4.5.25) По второму закону Кирхгофа

(4.5.26)

или ,

Тогда выходное напряжение будет связано с входным выражением

. (4.5.27)

Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений.