ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель - это усилительный блок, выполненный в виде интегральной схемы (ИС), который обладает следующими свойствами:

• бесконечное усиление при разомкнутой цепи обратной связи;

• нулевое выходное сопротивление;

• бесконечное входное сопротивление;

• бесконечная ширина полосы пропускания.

Конечно, не стоит полагать, что характеристики реальных схем операционных усилителей соответствуют перечисленным выше, но те характеристики, которыми обладают усилители, выпускаемые промышленностью, достаточно удовлетворительны. Они-то и позволяют среди общего числа любимых изобретателями линейных ИС выделить операционный усилитель, как одну из самых интересных и простых в использовании схем. В дальнейшем мы рассмотрим некоторые наиболее полезные свойства этой схемы.

Практические характеристики операционного усилителя

В операционном усилителе коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи ©братной связи Лр значительно больше обычного коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи. Для типичного операционного усилителя передаточная функция по напряжению определяется выражением

где bsbix- выходное напряжение: - коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи; Ъвх- входное напряжение.

Символ «±» означает, что выходное напряжение может иметь любую полярность, а это вызывает необходимость иметь такой источник питания для операционного усилителя, кото-

o4c(i)

-о общая шина

Сие. 1.1. Функциональная схема источника питания для операционных усилителей.

Рис. 1.2. Условное обозначение операционного усилителя.

рый может давать напряжение и положительной, и отрицательной полярности.

На рис. 1.1 изображена типичная функциональная схема источника питания операционного усилителя. В ней использованы две батареи: одна дает напряжение, положительное по отношению к общей шине, а другая - отрицательное. Уровни напряжения для большинства операционных усилителей лежат в пределах от 1,5 до 3,5 В в области минимальных значений и от 15 до 40 В в области максимальных значений. Очень распространено значение ±18 В.

В большинстве реальных электронных схем вместо батарей, показанных в нашем примере, используется источник питания постоянного тока, работающий от сети переменного тока. Это

Рис. 1.3. Дифференциальное напряжение E-i-Ei и общее напряжение Ез.

напряжение постоянного тока во избежание возможных осложнений, конечно, должно быть стабилизировано и хорошо отфильтровано. В тех случаях, когда требуются стабильные потенциалы, необходимо использовать какую-либо схему стабилизатора напряжения. Несколько примеров подобных схем приведено в одной из следующих глав.

На рис. 1.2 показано условное обозначение схемы операционного усилителя. Ино1да на схеме не показывают выходы Vсс (положительное напряжение источника постоянного тока) и Fee (отрицательное напряжение источника постоянного тока). Это делается для того, чтобы не перегружать схему и не затруднять ее чтение. Не следует, однако, забывать, что присутствие входов источника питания подразумевается всегда независимо от того, изображены они на схеме или нет.

Большинство операционных усилителей имеют один несимметричный выход, входы же у них дифференциальны по отношению к земле. Это приводит к тому, что входы оказывают на выходное напряжение одинаковое в количественном отношении, но противоположное по знаку влияние. Если ко входам приложены одинаковые относительно земли напряжения, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой потенциал. Этот случай показан на рис. 1.3.

Один вход помечается знаком (-) и называется инвертирующим. Он создает выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности входного напряжения. Иначе говоря, выходное напряжение сдвинуто по фазе на 180° относительно входного.

Другой вход помечается знаком (+) и называется неинвер-тируюиим. Нетрудно сообразить, что вход ( + ) создает выходное напряжение, совпадающее по фазе со входным; полярности напряжений одинаковы.

Противоположный характер входов приводит к тому, что синфазные напряжения (т. е. Ег на рис. 1.3) не оказывают никакого воздействия на выходное напряжение. Одно из объяснений этого явления состоит в том, что два выходных напряжения складываются алгебраически и сумма их равна нулю. С более детальным объяснением этого факта вы познакомитесь в дальнейшем.

Дифференциальные усилители дают сигнал на выходе только в том случае, когда на входы поданы такие напряжения, что величина (Ei-Е) отлична от нуля. Тогда уравнение (1.1) можно переписать в следующем виде:

Bbrx=-.£l. (1-2)

= А,{Е-Е,). (1.4)

Уравнение (1.4) точнее определяет передаточные свойства операционного усилителя. Договоримся в дальнейшем величину