Краткие теоретические сведения

3.2.1 Устройство и принцип действия операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ)– это усилитель, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению, два входа, причем один из входов инвертирующий и, как правило, один выход [3]. Операционный усилитель обычно выполняется в виде микросхемы, построенной с использованием активных элементов – транзисторов. В схеме ОУ отсутствуют разделительные конденсаторы. Поэтому он способен усиливать постоянные токи и может использоваться в качестве УПТ.

Условные обозначения ОУ приведены на рисунке 1. Знаком минус или кружочком отмечены инвертирующие входы. Операционный усилитель предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами: усиления, инвертирования, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т.п. (отсюда название ОУ слово операционный).

Рисунок 3.1 Условные схемы обозначения ОУ

Основные параметры большинства ОУ в области низких частот следующие: модуль коэффициента усиления по напряжению для любого из входов ; входное сопротивление по любому входу 30 кОм…10 МОМ. Операционный усилитель по своим свойствам близок к некоторому идеальному усилителю. Напряжение на выходе ОУ рассчитывается по формуле:

,                                     (3.1)

где U ₊ – напряжение на неинвертирующем входе;

U _– – напряжение на инвертирующем входе.

В основу современных операционных усилителей положена трехкаскадная структура (рисунок 3.2) с дифференциальным усилителем на входе.

Рисунок 3.2 Трехкаскадная структура ОУ

Вследствие большого коэффициента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как очень малые по лезные сигналы (десятки микровольт), так и собственные шумы и наводки на внешние выводы. Асимметрия монтажа электрических схем, разброс и нестабильность параметров элементов микросхем и компонентов внешних цепей усиливают действие помех. Основной причиной, по которой коэффициент усиления ОУ делают большим, является обеспечение высокой стабильности его параметров при использовании глубокой отрицательной связи.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ. Схемы включения и формулы расчета коэффициента передачи приведены на рисунке 3

Для инвертирующего включения [2]:

          ,                                                     (3.2)

Для неинвертирующего включения [2]:

         ,                                                 (3.3)

Рисунок 3.3 Схема включения цепи ОС

       3.2.2 Регулировка коэффициента усиления в ОУ

Существует много способов регулировки коэффициента усиления: переменным резистором, аналоговым или цифровым управляющим сигналом и автоматически с помощью нелинейных элементов, стоящих в цепи ОС. Одно из основных требований, предъявляемых к схемам с регулируемым коэффициентом усиления, заключается в том, чтобы при всех изменениях коэффициента усиления остальные параметры схемы оставались постоянными.

Ниже рассмотрены основные варианты таких схем (рисунок 3.4, 3.5) с регулируемым коэффициентом усиления простейших усилителей с переменным резистором.

Рисунок 3.4 Схемы включения нелинейного элемента в цепь ОС:

а -  инвертирующего;  б - неинвертирующего усилителя

Соответственно коэффициенты усиления будут определяться по следующим формулам.

Для инвертирующего усилителя [3]:

              ,                                     (3.4)

Для инвертирующего усилителя:

   .                                                     (3.5)

Коэффициенты усиления ОУ можно легко управлять, изменяя соотношение между сигналами, поступающими на входы усилителя (рисунок 3.5). Сигналы одинаковой амплитуды подавляются как синфазная помеха, и выходное напряжение равно нулю. Когда сигнал на одном входе ОУ больше, чем на другом, происходит усиление.

Рисунок 3.5 Схема с линейной зависимостью коэффициента усиления от угла поворота движка потенциометра

В приведенной схеме сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбираются исходя из заданного входного сопротивления и максимального коэффициента усиления, определяемого как . Изменяя сопротивление резистора ОС R2, можно добиться максимального ослабления входного сигнала (К _U ≈ 0) при максимальном сопротивлении резистора, регулирующего К _U (при R₂ = R₃). Коэффициент усиления схемы определяется выражением [3]:

                                .                                      (3.6)

Из этой формулы следует, что при изменении сопротивления R₃ от максимума (R₃ = R₂) до нуля, К _U изменяется от нуля до –R₂/R₁. Важно отметить, что при любом значении К _U в этих пределах постоянное напряжение на выходе ОУ практически остается неизменным.