ОУ. Основные параметры. OУ с параллельной отрицательной обратной связью, примеры использования.

Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – откуда и название операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.

Рис.1. Графическое обозначение ОУ,  – коэффициент усиления ОУ

Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.

Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания , . При этом размах выходного напряжения , и входных ,  симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .

Основным свойством ОУ является чувствительность только к разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных значений. Откуда вводятся два понятия: синфазное входное напряжение  (общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение , на которое усилитель реагирует. Будем считать, что , .

Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеальный». Под идеальным ОУ понимается следующее:  – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ никому не нужен. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.

На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.

Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь

Из свойств идеального ОУ  вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала  и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления  схемы с параллельной ООС будет равен , то есть  определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .

Рассмотрим ряд схем, реализованных на основе ОУ с параллельной ООС, представленных на рис.2. На рис.2а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на . Это достигается тем, резисторы . На рис.2б представлена схема дифференциатора. Поскольку , а , который в то же время равен  (инвертирующий вход виртуально заземлен), то , .

На рис.2в представлена схема дифференциатора с использованием индуктивности L. Для нее справедливо , то есть, как и в схеме с использованием конденсатора, выходное напряжение пропорционально производной от входного. На рис.2г, 2д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.2г справедливо

, , , .

Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д

, , .

На рис.2е представлен преобразователь ток-напряжение. В данной схеме источник тока виртуально заземлен (схема имеет неоспоримые преимущества по сравнению с преобразователями ток-напряжение на основе низкоомных резисторов-шунтов). Выходное напряжение пропорционально входному току. Коэффициент пропорциональности – сопротивление . На рис.2ж представлена схема сумматора. Здесь в точке суммирования складываются входные токи, протекающие по входным резисторам. Суммарный ток протекает по резистору обратной связи и создает выходное напряжение.

Рис.2. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС

На рис.2з представлен дифференциальный усилитель. Выходное напряжение схемы пропорционально разности .

Некоторым недостатком схем с параллельной ООС является невысокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением .

Достоинство данных схем состоит в том, что отсутствует синфазная составляющая входного сигнала. Неинвертирующий вход заземлен .