Операционные и решающие усилители

Операционный усилитель – это многокаскадный дифференциальный усилитель постоянного тока, обладающий коэффициентом усиления по напряжению k_U=10⁵¸10⁶, большим входным сопротивлением и малым входным током I_вх»0.

Операционный усилитель предназначен для выполнения таких математических операций (решений) над аналоговыми сигналами, как сравнение, умножение, деление, сложение, а также дифференцирование и интегрирование по времени. Это позволяет на них строить разного рода регуляторы, генераторы, модуляторы и другие средства систем автоматики.

Схематично операционный усилитель изображается в виде рис. 32.

Рис. 32

Операционный усилитель

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий (U_вхин, U_вхнин) и один выход (U_вых), который может изменяться практически от положительного напряжения питания (+U_пит) до отрицательного напряжения питания (-U_пит). Он усиливает разность двух входных сигналов (U_вх=U_вхин – U_вхнин). Если эта разность окажется ³ 0 (преобладает напряжение U_вхин), то U_вых становится отрицательным и становится положительным, если разность £ 0. Поскольку k_U усилителя очень большой, коммутация выходного напряжения происходит при изменении U_вх в районе нуля. Это свойство является основополагающим при расчете устройств автоматики. Помимо указанного свойства при разработке устройств учитывается второе свойство – входной ток операционных усилителей I_вх» 0. Промышленностью выпускается целый ряд операционных усилителей. В табл.1 приведены некоторые из них с характеристиками: напряжение питания (U_пит), максимальное выходное напряжение U_выхm и максимальный выходной ток I_выхm.

Таблица 1

Тип операционного усилителя	Uпит, В	Uвыхm, B	Iвыхm, mA
К153УД6	±15	±10
КР544УД1	±12,6	±6	2,5
К140УД7	±15	±10
К140УД14А	±15	±13	2,5
КМ551УД1	±15	±10
К553УД1	±15	±10

Рассмотрим схему инвертирующего масштабирования входного напряжения, представленную на рис. 33, а. Так как один из входов соединен с корпусом, потенциал которого принят за нуль, потенциал точки А (по первому свойству) тоже близок к нулю, а значит, ток в резисторе R₁,

Рис. 33. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители на опе­рационном усилителе с обратными связями

В точке А ток I₁ разветвится на I_вх и I₂. При этом согласно второму свойству током I_вх можно пренебречь, поэтому

Но для протекания тока I₂ напряжение U_вых должно установиться таким, чтобы обеспечить ток I₂, протекающий по R₂ под действием разности потенциалов (U_А—U_вых), т. е. (с учетом того, что U_А»0)

Получим

т. е. коэффициент усиления схемы определяется только отношением сопротивлений и не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя. Знак «—» показывает, что входной сигнал подан на инвертирующий вход операционного усилителя.

На рис. 33, б приведена схема неинвертирующего масштабирования, в которой U_вх подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Ее анализ также легко провести с помощью указанных допущений.

При подаче U_вх указанной полярности напряжение U_вых начнет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, при котором падение напряжения на R₁ от появившегося тока I не создаст потенциал точки А, примерно равный U_вх.

Коэффициент усиления схемы будет равным

Отметим также, что операционные усилители используют, как правило, именно в схемах с обратными связями. Применяя в цепях обратных связей различные сочетания резисторов и конденсаторов, получим дифференцирующие, интегрирующие и т. п. усилители. Так при замене резистора R₁ конденсатором С (сопротивление конденсатора в операторной форме Х(Р)=1/СР) операционный усилитель станет дифференцирующем, а при замене конденсатором резистора R₂ – интегрирующим операционным усилителем. Это происходит потому, что в этих случаях коэффициент усиления схемы k_U становится функцией времени и выполняет операцию дифференцирования и интегрирования.

Дата добавления: 2014-01-06