Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов и применяется в самых разнообразных схемах. На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложения, вычитания, интегрирования, выделения модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и т.д.).
Главным недостатком ОУ является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Кроме того, линейный участок АЧХ ограничен весьма малыми значениями входных напряжений. Поэтому ОУ используются с цепями обратной связи.
Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Любое схемотехническое решение с применением ОУ содержит одно из таких включений. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига
При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения
· коэффициент усиления стремится к бесконечности;
· входы ОУ не потребляют тока;
· входное сопротивление стремиться к бесконечности;
· напряжение между входами равно нулю.
Неинвертирующий усилитель на ОУ
В неинвертирующем усилителе (рис. 8.10) коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Rос. В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе Rос и поданную на инвертирующий вход. Схема обладает высоким полным входным сопротивлением.
Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда
,
отсюда коэффициент усиления схемы равен:
.
Повторитель напряжения
Если в неинвертирующем усилителе положить Rвх равным бесконечности (Rвх = ∞), а Rо равным нулю (Rо = 0), то мы придём к схеме, изображённой на рис. 8.11.
Согласно принятым допущениям, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению (Uвх). Но, с другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Uвых = Uвх, то есть выходное напряжение повторяет входное напряжение.
Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.
Инвертирующий усилитель
В инвертирующем усилителе (рис. 8.12) входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.
Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U0 = 0, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому Iвх = Uвх / R1. Так как входы ОУ не потр