Усилители постоянного и переменного напряжения

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

На рис.8 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа неинвертирующий и инвертирующий и один выход..

Рис. 8. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двух полярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 8, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания +/-15 В.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти

всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется

на рис. 9.

Рис. 9. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 9, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 9, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения . В первый момент выходное напряжение , а, следовательно, и напряжение обратной связи , также равны нулю. При этом напряжение, приложенное к входу операционного усилителя, составит . Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления , то величина быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина . Это приведет к уменьшению напряжения , приложенного к входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем, так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины, это есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

Решив это уравнение относительно , получим:

.

При коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит

.

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи .