До сих пор рассматривались усилители, собираемые из отдельных дис­кретных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов. При исполь­зовании технологии интегральных схем все эти необходимые дискретные компоненты могут быть сформированы в одной монолитной ИС. Именно по такой технологии в настоящее время изготавливаются операционные усилители (ОУ). Первоначально они были разработаны для выполнения определенных математических операций (отсюда название), но затем бы­стро нашли применение в самых различных электронных схемах.

Идеальный операционный усилитель — это идеальный усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, бесконечно широкой по­лосой пропускания и совершенно плоской АЧХ, бесконечным входным со­противлением, нулевым выходным сопротивлением и полным отсутстви­ем дрейфа нуля. На практике операционный усилитель имеет следующие свойства:

1) очень высокий коэффициент усиления (свыше 50000);

2) очень широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ;

3) очень высокое входное сопротивление;

4) очень низкое выходное сопротивление;

5) очень слабый дрейф нуля.

Рис. 31.1. Операционный усилитель.

На рис. 31.1 показано условное обозначение операционного усилителя. ОУ имеет два входа: инвертирующий вход (-), сигнал на котором нахо­дится в противофазе с выходным сигналом, и неинвертирующий вход (+), сигнал на котором совпадает по фазе с выходным сигналом.

Применения

Диапазон применений ОУ исключительно широк. Он может использо­ваться в качестве инвертирующего, неинвертирующего, суммирующего и дифференциального усилителей, как повторитель напряжения, интегра­тор и компаратор. Внешние компоненты, подключаемые к ОУ, опреде­ляют его конкретное применение. Ниже рассматриваются некоторые из этих применений.

Инвертирующий усилитель

На рис. 31.2 показано применение ОУ в качестве инвертирующего уси­лителя. Поскольку ОУ обладает очень большим (почти бесконечным) коэффициентом усиления, то сигнал на его выходе вырабатывается при очень малом входном сигнале. Это означает, что инвертирующий вход ОУ (точку Р) можно считать виртуальной (мнимой) землей, т. е. точкой с практически нулевым потенциалом. Для получения коэффициента усиления ОУ требуемого уровня вводится очень глубокая отрицательная связь через резистор обратной связи R_oc. Коэффициент усиления инвер­тирующего усилителя (рис. 31.2) можно рассчитать по формуле

Отрицательный знак указывает на инвертирование входного сигнала при его усилении.

Рис. 31.2. Инвертирующий усилитель.

Пример

Полагая R₁ = 1 кОм и R_oc = 2,2 кОм, рассчитать коэффициент усиления и выходное напряжение инвертирующего усилителя, если на его вход подано на­пряжение 50 мВ.

Решение

Коэффициент усиления

Выходное напряжение = -2, 2 · 50 мВ = -110 мВ.

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (рис. 31.3) вырабатывает выходное напряже­ние, величина которого пропорциональна сумме входных напряжений V₁ и V₂. Для входного напряжения V₁ коэффициент усиления G_V= - R_oc / R₁, а для входного напряжения V₂ G_V= - R_oc / R₁.

Например, если R_oc = R₁ = R₂, то коэффициент усиления для обоих входов равен               -5 кОм / 5 к0м = -1. Пусть V₁ = 1 В и V₂ = 2 В, тогда вклад в выходное напряжение, связанный с V₁, составляет 1 · (-1) = -1 В, а вклад, связанный с V₂, составляет 2 · (-1) = -2 В. Следовательно, полное выходное напряжение равно V_вых = -1 - 2 = -3 В.

Пример 1

На входы суммирующего ОУ, показанного на рис. 31.4, подаются напряжения V₁ = 20 мВ и V₂ = -10 мВ. Рассчитайте выходное напряжение V_вых.

Рис. 31.3. Суммирующий усилитель.

Рис. 31.4.

Решение

Выходное напряжение для V₁ = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Выходное напряжение для V₂  = -5/5 · (-10) = +10мВ.

Следовательно, полное выходное напряжение V_вых = -100 + 10 = -90 мВ.

Повторитель напряжения

В этом случае операционный усилитель охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис. 31.5) и имеет результирующий коэффициент уси­ления, равный 1. Заметим, что выходной и входной сигналы повторителя напряжения совпадают по фазе.

Напряжение смещения

При нулевом входном сигнале выходной сигнал идеального ОУ равен ну­лю. На практике это не так: отличный от нуля сигнал (ток или напря­жение) присутствует на выходе ОУ даже при нулевом входном сигнале. Чтобы добиться нулевого выходного сигнала при нулевом входном, на вход ОУ подается входной ток смещения или напряжение смещения та­кой величины и полярности, чтобы выходной сигнал, соответствующий входному сигналу смещения, компенсировал исходный мешающий выход­ной сигнал.

Входной ток смещения обычно устанавливается с помощью дополни­тельного резистора R₂, подключаемого к неинвертирующему входу ОУ, как показано на рис. 31.6.

             Рис. 31.5. Повторитель напряже­ния.                                           Рис. 31.6

Оптимальное сопротивление этого резистора определяется по формуле

Обычно, если коэффициент усиления больше четырех, номиналы рези­сторов R₂и R₁ выбирают одинаковыми. Введение резистора R₂ не изме­няет коэффициент усиления инвертирующего усилителя, он по-прежнему остается равным -R_oc/R₁. Как мы увидим позже, в некоторых ИС преду­сматриваются выводы для установки нулевого напряжения на выходе ОУ.

Неинвертирующий усилитель

В этом случае входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, как показано              на рис. 31.7.

Коэффициент усиления =

Рис. 31.7. Неинвертирующий усилитель.

Интегрирующий усилитель

На рис. 31.8 показано использование ОУ в качестве интегратора. В этом случае функцию элемента обратной связи выполняет конденсатор C₁. При подаче перепада напряжения (ступеньки) на вход интегратора вы­ходной сигнал начинает нарастать от нулевого значения с постоянной скоростью и имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала (рис. 31.9).

Рис. 31.8. Интегратор.

Скорость изменения выходного напряжения опреде­ляется постоянной времени C₁R₁ и величиной входного сигнала.

Скорость изменения выходного напряжения =

где V₁ — входное напряжение. Отрицательный знак указывает на инвер­тирование сигнала.

Пример 2

Пусть C₁ = 1 мкФ, R₁ = 1 кОм и V₁ = 3 В. Рассчитайте скорость изменения выходного напряжения.

Решение

Прежде чем рассчитывать скорость изменения выходного напряжения, полезно найти постоянную времени для данной схемы.

Постоянная времени = C₁R₁ = 1 · 10^-6 · 1 · 10³ = 10^-3 с = 1 мс.

Скорость изменения выходного напряжения = = -3 В/1 мс = -3 В/мс. Это означает, что выходное напряжение будет изменяться на -3 В за каждую миллисекунду. Предположим, что конденсатор C₁ полностью разря­жен перед подачей входного сигнала. Тогда через 0,5 мс выходное напряжение будет равно -1,5В, через 1 мс — -3 В, через 1,5 мс — -4,5 В и т. д. Следует отметить, что постоянная времени интегрирующего усилителя C₁R₁ численно равна длительности временного интервала, в течение которого выходное напря­жение интегратора, «стартующее» с нулевого уровня, нарастает до величины входного напряжения.

Для того чтобы построить график временной зависимости выходного напря­жения, нужны две точки. Удобнее всего использовать точки, указанные на

          Рис. 31.9. Повторитель напряже­ния.                                           Рис. 31.10.

Рис. 31.11.

рис. 31.10: точку А для момента времени t = 0, когда выходное напряжение V_вых = 0, и точку В для момента времени t = C₁R₁ (постоянная времени интегра­тора), когда выходное напряжение V_вых = - V₁ (входное напряжение с обратным знаком). Проводя через точки А и В прямую линию, получаем график измене­ния выходного напряжения. В рассматриваемом примере координаты точки А определяются как (0 В, 0 мс), а точки В как (-3 В, 1 мс).

Форма выходного сигнала при подаче на вход интегратора последова­тельности прямоугольных импульсов показана на рис. 31.11.

Коэффициент усиления переменного сигнала

Если на вход интегрирующего усилителя подать синусоидальный сигнал, на его выходе воспроизводится также синусоидальный сигнал. В этом случае интегратор работает как усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, определяемым постоянной времени C₁R₁ и частотой входного сигнала.

                                                     Реактивное сопротивление конденсатора  X_C1

Коэффициент усиления = ———————————————————————————,

R₁

где реактивное сопротивление конденсатора .   Отсюда

Коэффициент усиления =

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 31.12) вырабатывает выходной сиг­нал, пропорциональный разности входных сигналов V₁ — V₂. При R₁ = R₂ имеем

Рис. 31.12.

Назначение выводов ОУ 741

На рис. 31.13 показана схема расположения выводов ОУ 741, выпускаемо­го в 8-штырьковом DIP-корпусе (плоском корпусе с двухрядным распо­ложением выводов). Подстройка нуля на выходе ОУ (балансировка ОУ) обеспечивается подстроечным резистором, включаемым между вывода­ми 1 и 5 (как показано на рис. 31.14). Выводы 2 и 3 — инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ соответственно. Выходной сигнал снимает­ся с вывода 6. Положительное напряжение источника питания (+15 В) подается на вывод 7, а равное по величине отрицательное напряжение (-15 В) — на вывод 4. Вывод 8 не используется.