Операционный усилитель в цифровой электронике

Автор: S. Katiyar
Источник: A computer science portal GeeksforGeeks

Усилитель – это устройство, которое увеличивает силу входного сигнала. Это могут быть усилители напряжения, на входе которых присутствует некоторое напряжение, а на выходе тоже напряжение, но усиленное. Усилитель тока, чей вход является некоторым током, а выход также является током, но усиливается:

• Усилитель трансдуктивности, на входе которого присутствует напряжение, а на выходе – ток;
• Трансимпедансный усилитель, на входе которого присутствует ток, а на выходе – напряжение.

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой трехполюсное электронное устройство усиления напряжения, имеющее две входные клеммы, а именно инвертирующую клемму (обозначенную на диаграмме знаком -) и неинвертирующую клемму (обозначенную на диаграмме знаком +) и третий терминал является выходным терминалом. Усиление (A) операционного усилителя = выходной сигнал / входной сигнал.

Конфигурация открытого цикла – в этой конфигурации операционный усилитель не имеет обратной связи. В действительности он имеет бесконечное усиление в разомкнутом контуре (практически в сотни тысяч раз больше, чем разность потенциалов между его входными клеммами).

Рисунок 1 – Инвертирующий режим

Рисунок 2 – Неинвертирующий режим

Конфигурация с замкнутым контуром – в этой конфигурации операционного усилителя используется отрицательная обратная связь, то есть часть выходного напряжения подается обратно на инвертирующий вход. Эта обратная связь значительно уменьшает усиление операционного усилителя по сравнению с усилением в разомкнутом контуре. Это своего рода контролируемый способ усиления.

Рисунок 3 – Инвертирующий режим

Рисунок 4 – Неинвертирующий режим

Характеристики идеального операционного усилителя:

• Коэффициент усиления в разомкнутом контуре – в идеале операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление в разомкнутом контуре (практически оно в сотни тысяч раз больше, чем разность потенциалов между входными клеммами);
• Входное сопротивление – в идеале операционный усилитель должен иметь бесконечное входное сопротивление (практически оно должно быть очень высоким);
• Выходное сопротивление – в идеале операционный усилитель должен иметь нулевое выходное сопротивление (практически оно должно быть очень низким);
• Пропускная способность – в идеале операционный усилитель должен иметь неограниченную пропускную способность (практически она ограничена).

Основная терминология:

• Смещение выходного напряжения – выход операционного усилителя в идеале должен быть нулевым, когда разность напряжений между входами равна нулю, но практически выходной сигнал не равен нулю, есть напряжение очень малой величины. Это нежелательное напряжение на выходной стороне, когда нет входного сигнала – это называется выходным напряжением смещения;
• Смещение входного тока – величина разницы тока, поступающего на инвертирующие и неинвертирующие клеммы, когда на операционный усилитель не подается входное напряжение;
• Смещение входного напряжения – это напряжение, приложенное намеренно либо к инвертирующему, либо к неинвертирующему выводу операционного усилителя, чтобы свести на нет эффект выходного смещенного напряжения;
• Коэффициент подавления синфазного режима – это отношение коэффициента усиления дифференциального режима (когда на оба входных разъема подается разный сигнал) к коэффициенту усиления синфазного сигнала (когда сигнал подается только на один из входных разъемов).

Области применения:

• Инвертирующий и неинвертирующий сумматор;
• Вычитание;
• Интегратор;
• Дифференциатор;
• Логарифмический усилитель и т.д.