§ 4.14. Операционный усилитель.

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с очень большим входным сопротивлением, очень малым выходным сопротивлением и очень большим коэффициентом усиления к (теоретически практически ОУ выполняют по интегральной технологии в виде отдельного кристал поэтому его можно считать самостоятельным активным элементом схем, подобно транзистору. Коэффициент усиления ). Знак минус обусловлен тем, что вход является инвертирующим. Постоянная времени учитывает инерционные свойства ОУ.

ОУ имеет обычно восемь выводов: два входных или управляющих, один выходной (3), один заземленный (О), два вывода для источника питания и два для регулировки. Четыре последних вывода на схемах не показывают. На электрических схемах ОУ изображают в виде треугольника с тремя выводами 1, 2, 3 (рис. 4.9, а), потенциалы которых относительно заземленной точки соответственно (рис. 4.9, б). При включении ОУ по дифференциальной схеме его входное напряжение При использовании одного входа и заземлении второго Выходное напряжение ОУ равно разности потенциалов между точкой 3 и заземленной точкой оно в k раз больше входного, т. е. или соответственно. Значение коэффициента усиления к записывают рядом с ОУ либо внутри его. Знание числового значения при анализе схем с ОУ не всегда требуется, важно, что к велико и стремится к бесконечности. Так как а — величина конечная, то в зависимости от способов включения

Таким образом, входные напряжения ОУ можно полагать в первом приближении равными нулю. Для облегчения анализа схем, содержащих ОУ, последние в ряде случаев будем заменять их расчетными эквивалентами. Выходную цепь ОУ будем заменять ветвью (рис. 4.9, в), присоединенной между выходной точкой 3 и заземленной точкой 0 и содержащей источник ЭДС или соответственно, и последовательно с ним включенным сопротивлением порядка десятков или сотен ом (точное числовое значение его обычно не задано.), по которой проходит некоторый ток (рис. 4.9, в). Значение тока 1 в расчетах, как правило, не требуется, а если и потребуется, то всегда может быть определено по законам Кирхгофа. Входное сопротивление ОУ в первом приближении полагают стремящимся к бесконечности.

После замены входной и выходной цепей ОУ на расчетные эквиваленты схему рассчитывают по законам Кирхгофа, имея в виду в первом приближении, что входные напряжения и входные токи всех ОУ равны нулю.

Расчет схем с операционными усилителями, когда необходимо учесть конечное (не бесконечное) значение k и конечное значение входных сопротивлений, производят обычно методом узловых потенциалов.

Сделаем еще два замечания относительно ОУ. Зависимость для ОУ линейна только до некоторого максимального значения , после чего наступает насыщение. В дальнейшем будем полагать, что работа схем с ОУ происходит на линейном участке характеристики ОУ (рис. 4.9, е). Заметим еще, что скорость изменения выходного напряжения у ОУ ограничена величиной порядка

Рассмотрим три примера.

Сначала рассмотрим схему рис. 4.9, г, являющуюся схемой источника напряжения, управляемого напряжением. Резисторы могут регулироваться. Через резистор осуществляется обратная связь. Расчетная схема изображена на рис. 4-9, д. Так как второй вход схемы рис. 4.9, г заземлен а напряжение на входе ОУ должно быть равно нулю, то

Потенциал на входе схемы . Потенциал на выходе ОУ , отсюда Так как то выходное сопротивление схемы стремится к нулю, т. е. действительно схема рис. 4.9, г может выполнять функции источника напряжения (внутреннее сопротивление которого стремится к нулю), управляемого напряжением.

Рассмотрим схему преобразователя сопротивлений на ОУ, изображенную на рис. 4.10, а. В схеме имеется два ОУ и пять сопротивлений Покажем, что входное сопротивление схемы относительно зажимов АВ для малых переменных уставляющих Обозначим токи в ветвях в соответствии с рис. 4.10, а. На рис. 4.10, б изображена схема, в которой выходные цепи ОУ заменены их расчетными эквивалентами.

Рис. 4.10

Для схемы рис. 4.10, б приравняем к нулю входные напряжения ОУ:

Из (б) с учетом (в) получим Входное напряжение схемы

. Но , поэтому

Применение ОУ для реализации гиратора иллюстрирует рис. 4.11. В этой схеме три ОУ и четыре резистора. Проводимости резисторов выполняют функции проводимостей гиратора. Обозначим потенциалы узлов и токи ветвей в соответствии с рис. 4.11. Учтем, что напряжение и токи на входе каждого ОУ стремятся к нулю, а точки, обозначенные буквой О, и точка С практически имеют нулевой потенциал. В этой схеме ток потенциал точки Потенциал точки

Отсюда Но поэтому

Потенциал точки Входное напряжение

Имея в виду, что для К-формы записи уравнений четырехполюсника ток должен иметь направление, противоположное указанному на рис. 4.11, установим, что уравнение (г) и(д) являются уравнением гиратора.

Рис. 4.11

Недостатком схемы рис. 4.11 является то, что источник сигнала и нагрузка непосредственно не соединены с заземленной точкой.