Операционные усилители

 

Операционные усилители — специальные усилители постоян­ного тока (УПТ), которые отличаются высоким коэффициентом усиления (иногда более 1 млн.) и пологой частотной характе­ристикой. В этих усилителях для получения линейной характе­ристики используют непосредственную связь между каскадами. Поэтому полоса пропускания таких усилителей занимает об­ласть от нуля до весьма высоких частот. Обычно для получе­ния требуемого операционного соотношения между выходным и входным импедансами операционного усилителя вводят цепь обратной связи.

Рис. 2.2. Операционный усилитель.

 

На рис. 2.2 показана типичная схема операционного усили­теля. Коэффициент обратной связи р выражает относительную величину напряжения, поступающего по цепи обратной связи с выхода на вход.

Отрицательная обратная связь (ОС) ослабляет шумы, ча­стотные искажения сигнала и расширяет полосу пропускания (см. разд. 1.8). Сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя, усиливается и проходит на выход в противофазе с действующим там сигналом. В результате выходной сигнал ослабляется в степени, определяемой глубиной обратной связи.

Пусть при отсутствии обратной связи входной сигнал е_ът усиливается (коэффициент усиления схемы без цепи обратной связи обозначим буквой А) и на выходе получается сигнал е_выг

(2.1)

Следовательно, коэффициент усиления схемы без обратной связи, или коэффициент усиления схемы с разомкнутой петлей обратной связи, есть отношение мгновенных значений выходно­го и входного напряжений сигнала ;,

(2.2)

Перед коэффициентом обратной связи |3 ставят знак минус, если обратная связь отрицательна; в схемах генераторов, где используется положительная обратная связь, перед (3 ставят знак плюс. Символом А' обозначают коэффициент усиления схе­мы, охваченной обратной связью.

Произведение Л|3 называют фактором обратной связи. Ве­личина (1 — Л(3) есть мера глубины обратной связи. Уравнения усиления для схемы с обратной связью имеют вид

(2.3)

где А' — коэффициент усиления усилителя с обратной связью, А — коэффициент усиления усилителя без обратной связи, Р — коэффициент обратной связи.

Если фактор обратной связи много больше единицы, то ве­личина коэффициента усиления по напряжению практически не зависит от А и для коэффициента усиления по напряжению схе­мы с обратной связью можно записать следующее выражение:

(2.4)

Поскольку отрицательная обратная связь ослабляет также и искажения сигнала, полезно выразить величину искажений сигнала на выходе схемы. Обозначим относительную величину искажений сигнала на выходе схемы при наличии и при отсут­ствии обратной связи соответственно D' и D; тогда можно за­писать уравнение

(2.5)

Таким образом, как величина коэффициента усиления сиг­нала, так и величина его искажений ослабляются одинаково, причем величина ослабления определяется глубиной обратной связи (il — Лр). Если, например, абсолютная величина глубины обратной связи равна 3, а величина коэффициента усиления без обратной связи равна 60, то при наличии обратной связи ве­личина коэффициента усиления составит

Соответственно, если относительная величина искажений сигнала составляла 6%, то при действии обратной связи она упадет до 2%:

Когда фактор обратной связи много больше единицы (и ко­эффициент усиления сигнала по напряжению не зависит от А), выходное напряжение е_вых определяется только значениями то­ков сигнала, протекающих по сопротивлениям R₁ и R₂, и вход­ного напряжения е_вх (рис. 2.2). Поэтому в операционных уси­лителях с высоким коэффициентом усиления при наличии об­ратной связи выходное напряжение сигнала схемы определяет­ся следующим выражением:

(2.6)