1.  Операционные усилители. Структура и функции операционных усилителей

Операционный усилитель обычно включает в себя дифференциальный каскад ДК на входе, усилитель напряжения УН и эмиттерный повторитель ЭП на выходе.

Дифференциальный каскад выполняется на полевых транзисторах для получения высокого входного сопротивления. Усилитель напряжения обычно выполняется в виде дифференциального усилителя на биполярных транзисторах для получения большого коэффициента усиления. Эмиттерный повторитель применяется для получения низкого выходного сопротивления.

Основная особенность операционных усилителей состоит в неограниченно большом коэффициенте усиления по напряжению и току, поэтому без обратных связей операционные усилители не применяются. У реальных ОУ коэффициент усиления . Полоса пропускания ОУ не очень велика.

Кроме усиления ОУ может выполнять различные математические операции.

2.  Инвертирующее и неинвертирующее включение операционных усилителей

Инвертирующее включение операционных усилителей

Цепь обратной связи образуется сопротивлениями z1 и z2. Выходной сигнал  по цепи обратной связи подается на вход в противофазе с входным сигналом , Тогда напряжение между входами ОУ  стремится к нулю, так как коэффициент усиления ОУ очень большой, т.е. . Таким образом, для получения необходимого напряжения на выходе достаточно малого напряжения между входами ОУ. При этом в точке 1 по переменному напряжению практически нулевой потенциал, поэтому точку 1 называют «виртуальным нулем». Тогда токи , . Так как входное сопротивление ОУ велико, то  и, следовательно, , а коэффициент передачи ОУ с цепью отрицательной обратной связи . Если сопротивления цепи ОС – действительные, т.е. , , то . Если сопротивления цепи ОС равны, то K=-1 – инвертирующий повторитель. Входное сопротивление усилителя . Выходное сопротивление усилителя , где  – выходное сопротивление ОУ.

Неинвертирующее включение

Напряжение обратной связи , где коэффициент передачи цепи ОС , тогда . Усиливается разностное напряжение между входами ОУ. Так как коэффициент усиления ОУ очень большой, то разностное напряжение ничтожно мало, т.е. . Тогда коэффициент передачи.

3.  Разновидности усилителей

Суммирующий усилитель

Для токов, учитывая виртуальный нуль, можно записать , тогда, так как , то , или

Как видим, получается весовое суммирование напряжений. Если все сопротивления одной величины, то получается равновесное суммирование:

Особенность суммирования состоит в том, что оно практически идеальное, так как из-за наличия виртуального нуля в точке 1 входные напряжения друг на друга не влияют.

Дифференцирующий усилитель

Коэффициент передачи , где , . Тогда . При переходе в p-плоскость (замена ) получим: . Тогда выходное напряжение . Умножение на p эквивалентно дифференцированию:

Таким образом, выходное напряжение равно производной входного напряжения.

АЧХ дифференцирующего усилителя:

Оценим точность дифференцирования по сравнению с пассивной дифференцирующей RC-цепью.

Пассивная RC-цепь осуществляет дифференцирование на низких частотах, пока ее АЧХ меньше единицы. В усилителе на ОУ АЧХ идет вверх в соответствии с усилением собственно ОУ. Дифференцирование получается практически идеальным, благодаря свойствам ОУ.

Интегрирующий усилитель

Коэффициент передачи , где , . ............