Операционные усилители

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

1 Основные схемы выпрямления электрического тока

Одним из главных применений полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение ещё содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного напряжения и рассеиваемая мощность.

Трансформаторы, работающие в выпрямителях, характеризуются действующими значениями токов и напряжений первичной и вторичной обмоток и номинальной мощностью.

Наиболее распространены три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителя изображена на рис.1, где Т - трансформатор, VD – полупроводниковый диод, а R – нагрузка.

Рис.1 Рис.2

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки подан положительный полупериод переменного тока, на диод подаётся прямое напряжение, и он пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через нагрузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис.2).

Однополупериодная схема очень редко используется в современных выпрямителях, поскольку вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода, и поэтому габаритная мощность трансформатора должна превышать мощность выпрямленного тока примерно в три раза. Кроме того, выпрямленное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

На рис. 3 изображена двухполупериодная схема, где Т – трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD₁ и VD₂ – полупроводниковые диоды, а R – нагрузка.

Рис.3 Рис.4

Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD₁ и VD₂оказываются открытыми в разные половины периода переменного напряжения, и поэтому ток через нагрузку R протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 4).

Среднее действующее напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя в отсутствие нагрузки вдвое больше напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя. Ток протекающий через каждый диод в двухполупериодной схеме в два раза меньше, чем однополупериодной схеме. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже.

Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Её недостатками являются: необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.

Мостовая схема выпрямления изображена на рис. 5 и состоит из трансформатора Т и четырёх диодов VD₁ – VD_4.

Рис. 5

Диагональ АВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD – к нагрузке. Полярность напряжений на вторичной обмотке изменяется каждую половину периода, в результате чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток проходит в течении полупериода А®VD₁®C®R® D®VD₃®B®A, а в следующий полупериод по пути B®VD₂®C®R®D®VD₄®A®B.

Таким образом, выпрямленный ток идёт через нагрузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.

В мостовой схеме выпрямленный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой.

Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от её середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по сравнению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки.

Рассмотрим теперь трёхфазные схемы выпрямления. Простейшая трёхфазная схема выпрямления с нейтральной точкой изображена на рис. 6.

Рис. 6

Рис. 7

В этой схеме первичные обмотки трёхфазного трансформатора соединяются звездой или треугольником, а вторичные – звездой, причём в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом случае в каждый момент выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединён с зажимом обмотки, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора. Поэтому выпрямленное напряжение будет изменяться по кривой, являющейся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 7). Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжения. В нагрузке R токи, проходящие через три диода, суммируются.

Трёхфазную схему выпрямления с нейтральной точкой применяют только в маломощных силовых установках.

Мостовая трёхфазная схема выпрямления переменного тока изображена на рис. 8. В ней сочетаются принципы мостовой схемы и схемы много фазного выпрямления. В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.

Рис. 8 Рис. 9

Шесть диодов образуют две группы – нечётную VD₁, VD₃, VD₅ и чётную VD₂, VD₄, VD₆. У нечётной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у чётной группы – аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вторичных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются. В каждый момент работает тот диод нечётной группы, у которого анод в этот момент имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним и тот диод чётной группы, у которого катод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал. Выпрямленное напряжение будет изменяться по огибающей с двойной частотой пульсаций (рис.9).

2 Сглаживающие фильтры

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создаёт фон переменного тока, вызывает искажение сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Физическая сущность работы в фильтре (рис.10) конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой ёмкости), подключённый параллельно к нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некоторые резервуары энергии. Они запасают её, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают когда ток стремиться уменьшится ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций.

Рассмотрим несколько подробнее ёмкостной фильтр, в котором на выходе двухполупериодного выпрямителя параллельно нагрузке R включён конденсатор С (рис. 11).

При возрастании выпрямленного напряжения (при открытом диоде VD₁) конденсатор зарядится, а при убывании выпрямленного напряжения полярность напряжения на диоде изменится на противоположную и диод закроется, отключив вторичную обмотку трансформатора от нагрузки.

Когда входной сигнал начинает падать в отрицательном направлении, конденсатор разряжается через нагрузку. Скорость разряда конденсатора зависит от постоянной времени RC, а следовательно, от сопротивления нагрузки. Постоянная времени разряда велика по сравнению с периодом переменного тока. Следовательно, период заканчивается раньше, чем конденсатор может разрядится. Поэтому после первой четверти периода ток через нагрузку поддерживается разряжающимся конденсатором. До того, как конденсатор полностью разрядится, начмнается следующий период синусоиды. Конденсатор зарядится снова, и цикл повторится. В результате пульсации напряжения сгладятся и выходное тнапряжение фактически повысится.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше постоянная времени RC. Это приводит к более медленному разряду конденсатора, что повышает выходное напряжение.

Наиболее распространёнными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образные LC-фильтры (рис. 13а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие ёмкости С₁ и С₂, в нагрузку не проходят.

При больших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 13б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 13в), что делается в переносных радиоприёмниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис.13г,д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным, состоящим их нескольких П-образных или Г-образных LC или RC фильтров (рис. 13е).

3 Стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение выпрямителя может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение выпрямителя, что приводит к уменьшению или увеличению выходного напряжения. Во-вторых, может изменяться сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.

Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определённом напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи. Следовательно, выпрямитель должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для этого после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.

Существуют два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные. Последовательные стабилизаторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Последовательный стабилизатор напряжения также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник питания от короткого замыкания в нагрузке.

На рис. 14 показана простая регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный стабилизатор. Стабилитрон соединён последователь-но с резисторм. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путём замены стабилитрона и последовательно включённого резистора.

На рис. 15 изображена параллельная регулирующая цепь, использующая транзистор. Заметим, что транзистор VT₁ включён параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.

На рис. 16 изображён простой последовательный стабилизатор. На его вход подаётся нестабилизированное постоянное напряжение, а на его выходе получается стабилизированное постоянное напряжение меньшее по величине. Напряжение на базе транзистора устанавливается с помощью стабилитрона. Следовательно, выходное напряжение равно напряжению стабилизации стабилитрона минус 0,7 В падения напряжения на переходе база-эмиттер.

В последнее время вместо стабилизаторов на дискретных компонентах всё чаще используют стабилизаторы на интегральных микросхемах, которые дёшевы и просты в применении. Большинство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход, земля) и могут быть подсоединенные непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности. Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандартных микросхем, можно использовать микросхему стабилизатора с регулируемым напряжением.

При выборе микросхемы стабилизатора необходимо знать напряжение и ток нагрузки, а также электрические характеристики нестабилизированного блока питания.

4 Типы усилителей на транзисторах

Усилители – это электронные цепи, которые используют для увеличения амплитуды электронного сигнала. Цепь, рассчитанная на преобразование низкого напряжения в высокое, называется усилителем напряжения. Цепь, рассчитанная на преобразование слабого тока в сильный, называется усилителем тока. В современной электронике основными усилительными устройствами являются транзисторы.

Существует несколько способов включения транзистора в цепь: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором. В каждой из этих схем один из выводов транзистора служит общей точкой, а два других являются входом и выходом, при этом на переход эмиттер-база подаётся напряжение смещения в прямом направлении, а на переход коллектор база – в обратном. Каждая схема имеет преимущества и недостатки и может быть собрана как с p-n-p, так и с n-p-n транзистором.

В схеме с общей базой (рис. 17) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной снимается с цепи коллектор-база. База является общим элементом для входа и выхода.

В схеме с общим эмиттером (рис. 18) входной сигнал подаётся в цепь эмиттер-база, а выходной сигнал снимается с цепи коллектор-эмиттер. Эмиттер является общим для входа и выхода. Этот способ включения транзистора используется наиболее широко.

В схеме с общим коллектором (рис. 19) входной сигнал подаётся в цепь база-коллектор, а выходной сигнал снимается с цепи эмиттер-коллектор. Здесь коллектор является общим для входа и выхода.

В таблице 1 приведены входные и выходные сопротивления, а также величина усиления по напряжению, току и мощности для трёх схем включения транзистора.

Таблица 1

Тип цепи	Входное сопротивление	Выходное сопротивление	Усиление по напряжению	Усиление по току	Усиление по мощности
Общая база	Десятки Ом	Сотни кОм – единицы МОм	Несколько сотен	Меньше единицы	Несколько сотен
Общий эмиттер	Тысячи Ом	Десятки–сотни кОм	Несколько десятков	Несколько сотен	Несколько тысяч
Общий коллектор	Десятки-сотни кОм	Десятки-сотни Ом	Меньше единицы	Несколько сотен	Несколько десятков

Поскольку цепи с общим эмиттером используются наиболее часто, мы их опишем более детально. Те же принципы применимы и к цепям с общей базой и общим коллектором.

На рис. 20 изображён транзисторный усилитель с общим эмиттером, использующий один источник питания. Источник питания обозначен +V. Символ заземления является отрицательным выводом источника питания V. Один источник питания обеспечивает подачу смещения для переходов база-эмиттер и база-коллектор. Два резистора (R_Б и R_К) используются для распределения напряжения, обеспечивающего правильную работу. Резистор R_К, сопротивление нагрузки коллектора, соединён последовательно с коллектором. Когда через коллектор течёт ток, на резисторе R_К появляется падение напряжения. Падение напряжения на резисторе R_К и падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в сумме должны равняться приложенному напряжению.

Резистор R_Б, соединяющий базу с источником питания, управляет величиной тока базы. Ток базы, текущий через резистор R_Б, создаёт на нём падение напряжения, составляющее большую часть напряжения источника питания. Меньшая часть этого напряжения падает на переходе база-эмиттер транзистора, обеспечивая правильное прямое смещение.

5 Элементы цифровых электронных цепей

В основе цифровой электроники лежит двоичная система счисления. Для записи чисел в двоичной системе нужны только две цифры – ноль (0) и единица (1). Двоичная система счисления используется в цифровых цепях благодаря тому, что двоичные цифры легко представить в виде двух напряжений – высокого и низкого. Данные в двоичной системе представляются двоичными цифрами, которые называются битами. Термин бит означает двоичная цифра (разряд) (binary digit).

Всё цифровое оборудование, от простого до сложного, сконструировано с использованием небольшого количества основных схем. Эти схемы, называемые логическими элементами, выполняют некоторые логические функции с двоичными данными.

Рассмотрим некоторые логические схемы.

Элемент И – это логическая схема, на выходе которой 1 появляется только тогда, когда на все его входы поступает сигнал 1. Если на какой-либо из входов поступает 0, на выходе появляется 0.

На рис. 21 показаны стандартные обозначения, используемые для элементов И. Элемент И может иметь любое количество входов, большее одного. Показанные на рисунке обозначения представляют наиболее часто используемые элементы с двумя, тремя и четырьмя входами.

Состояние и логическую связь между входными и выходными сигналами элемента И отражает так называемая таблица истинности (таблица 2), которая показывает выходное состояние двухвходового элемента для любых возможных состояний входов: А и В – входы; Y – выход.

A	B	Y

Таблица 2

Элемент И выполняет операцию логического умножения. Логическое умножение известно как функция И.

Элемент ИЛИ – это логическая схема, на выходе которой появляется 1, если на любой из его входов подана 1. На его выходе появляется 0, если на все его входы поданы 0. Этот элемент, как и элемент И, может иметь два или более входов. На рисунке 22 показаны стандартные обозначения, используемые для элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами.

Значения на выходе элемента ИЛИ с двумя входами приведены в таблице истинности (таблица 3): А и В – входы; Y – выход.

A	B	Y

Таблица 3

Элемент ИЛИ выполняют логическую операцию сложения.

Элемент НЕ – выполняет функцию, которая называется инверсией, или дополнением, и обычно называется инвертором. Цель инвертора – сделать состояние выхода противоположным состоянию входа. В логических цепях возможны два состояния – 1 и 0. Состояние 1 также называют высоким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии выше, чем в состоянии 0. Состояние 0 также называют низким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии ниже, чем в состоянии 1. Если на вход инвертора подано высокое состояние, или 1, то на выходе появится низкое состояние, или 0. Если же на вход инвертора подать низкое состояние, или 0, то на выходе появится высокое состояние, или 1.

Схематическое обозначение инвертора показано на рисунке 23.

A	Y

Рис. 23

Таблица 4

Работу инвертора отражает таблица истинности (таблица 4). Вход инвертора обозначен А, а выход А (читается «не А»). Чёрточка над буквой А показывает отрицание А.

Элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ. Элемент И-НЕ является наиболее широко используемой логической функцией. Это обусловлено тем, что эти элементы могут быть использованы для создания некоторых других логических элементов.

Схематическое обозначение элементов И-НЕ показано на рисунке 24, а его таблица истинности представлена в таблице 5.

Таблица 5

A	B	Y

Элемент ИЛИ-НЕ – является комбинацией элемента ИЛИ и инвертора. Подобно элементу И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ также может быть использован для создания других логических элементов.

Схематическое обозначение элемента ИЛИ-НЕ показано на рисунке 25, а его таблица истинности представлена в таблице 6.

Таблица 6

A	B	Y

5.1 Триггеры

Триггер – это элемент на выходе которого может быть либо высокое, либо низкое напряжение. На выходе триггера остаётся высокое или низкое напряжение до тех пор, пока на вход не будет подан пусковой сигнал.

Существуют несколько типов триггеров.

RS-триггер образован двумя перекрёстно связанными элементами ИЛИ-НЕ или И-НЕ (рис. 26).

RS-триггер имеет два выхода Q и Q и два управляющих входа: R (Reset – сброс) и S (Set – установка). На выходах триггера уровни всегда противоположны (дополняющие уровни): если Q = 1, то Q = 0, и наоборот.

Для того, чтобы понять работу цепи, предположим что выход Q, вход R и вход S имеют низкий уровень. Низкий уровень выхода Q подаётся на один из входов элемента 2. На входе S также низкий уровень. На выходе элемента 2 высокий уровень. Этот высокий уровень подаётся на вход элемента 1, удерживая его выход на низком уровне. Когда на выходе Q появляется низкий уровень, говорят, что триггер в исходном состоянии (RESET). Он остаётся в этом состоянии неопределённо долго, до тех пор, пока на вход S элемента 2 не будет подан высокий уровень. Когда на вход S элемента 2 будет подан высокий уровень, на выходе элемента 2 появится низкий уровень, а этот выход связан со входом элемента 1. Поскольку на входе R элемента 1 низкий уровень, на его выходе Q низкий уровень изменится на высокий. Этот высокий уровень подаётся на вход элемента 2, обеспечивая на выходе Q низкий уровень. Когда на выходе Q высокий уровень, говорят, что триггер в единичном (SET) состоянии. Он остаётся в этом состоянии до тех пор, пока на вход R не будет подан высокий уровень, переводящий триггер в исходное состояние.

«Недопустимое», или «неразрешённое», условие имеет место, когда на оба входа, R и S, подаётся высокий уровень. В этом случае выходы Q и Q пытаются перейти в низкое состояние, но Q и Q не могут быть одновременно в одинаковом состоянии без нарушения работы триггера. При одновременном отключении высокого уровня со входов R и S оба выхода пытаются перейти в состояние с высоким уровнем. Поскольку всегда логические элементы немного отличаются друг от друга, то один из них перейдёт в состояние с высоким уровнем. Это заставит другой элемент перейти в состояние с низким уровнем. В этом случае имеет место непредсказуемый режим работы и, следовательно, состояние выходов триггера не может быть определено.

Рис. 27

R T S

Таблица 7 – таблица истинности для работы RS-триггера. На рисунке 27 изображено упрощённое схематическое обозначение RS-триггера.

Таблица 7

Без изменений

Другим типом триггера является триггер с синхронизирующим входом. Он отличается от RS-триггера тем, что для его работы необходим дополнительный вход. Третий вход называется тактовым (или синхронизирующим). На рисунке 28 изображено схематическое обозначение такого триггера.

Триггер с синхронизирующим входом управляется логичискими состояниями входов R и S при наличии тактового импульса. Изменение состояния триггера происходит только по переднему фронту тактового импульса. Передний фронт тактового импульса – это переход в положительном направлении (от низкого к высокому), что означает возрастание амплитуды импульса от нулевого до положительного напряжения. Этот процесс называется запуск по положительному фронту (фронту импульса, запускающего цепь).

Пока уровень на тактовом входе низкий, уровни входов R и S могут изменяться, не влияя на состояние триггера. Входы R и S становятся чувствительными только в течении тактового импульса. Триггер работает синхронно с тактовым импульсом. Синхронная работа важна в компьютерах и калькуляторах, когда каждый шаг должен быть выполнен в определённом порядке.

В цифровых микросхемах очень часто применяют триггеры с единственным входом данных D (data), так называемые D-триггеры. Они полезны тогда, когда должен быть сохранён только один бит данных (1 или 0). На рис. 29 изображено условное обозначение D-триггера.

Он имеет один вход для данных и вход для тактовых импульсов. D-триггер также называют триггером с задержкой. Вход D задерживает один тактовый импульс перед изменением уровня выхода (Q). Иногда D-триггер имеет вход PS (предустановка) и вход CLR (очистка). Когда на вход предустановки подан низкий уровень (0), он устанавливает выход (Q) в состояние 1. Когда на вход очистки подан 0, он устанавливает на выходе Q также 0. D-триггеры, соединённые вместе образуют сдвиговые регистры и регистры памяти, которые широко используются в цифровых системах.

Наиболее широко используемый триггер – это JK-триггер. Он обладает всеми особенностями триггеров других типов. Обозначение JK-триггера показано на рисунке 30.

J и K – это входы. Важной особенностью этого триггера является то, что когда на оба входа J и K подан высокий уровень, повторяющиеся тактовые импульсы заставляют выход переключаться или изменять состояние. JK-триггер может иметь два асинхронных входа, PS (предустановка) и CLR (очистка), которые блокируют синхронные входы (входы данных J, K и вход тактовых импульсов). JK-триггеры широко используются во многих цифровых цепях, особенно в схемах счётчиков.

Триггеры являются основными строительнымиблоками для построения последовательных логических цепей. Они могут быть соединены вместе и образовывать счётчики, сдвиговые регистры и устройства памяти.

6 Операционные усилители

Интегральный операционный усилитель – это высококачественный прецизионный усилитель способный выполнять множество функций. На основе одного и того же ОУ можно формировать большое число линейных и нелинейных функциональных устройств. Это достигается коммутацией цепей обратной связи (ОС).

С целью повышения качества ОУ они должны удовлетворять следующим требованиям:

1) Иметь большой набор различных ОС.

2) Иметь высокий и стабильный коэффициент усиления (от 1000 до 100000).

3) Иметь высокую стабильность характеристик и параметров.

4) Иметь большое входное сопротивление (десятки МОм) и малое выходное (единицы Ом).

5) Иметь широкую полосу пропускания (от 10 до 100 МГц).

Основой всех ОУ является дифференциальный усилитель (ДУ).

Принципиальная схема дифференциального усилителя имеет вид:

Схема имеет два симметричных плеча R1,VT1 и R2,VT2, а в общей цепи включен источник постоянного тока, обеспечивающий постоянный ток эмиттеров обоих транзисторов.

Если предположить, что входное напряжение Uвх1 равно входному напряжению Uвх2 и равно 0, то следовательно ток коллектора VT1 будет равен току коллектора VT2, соответственно выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 будут равны. Если увеличить Uвх1 и Uвх2 на одну и ту же величину, то на одну и ту же величину возрастут токи обоих транзисторов, а следовательно пропорционально увеличатся Uвых1 и Uвых2 и по-прежнему Uвых1-Uвых2=0. Тоже самое произойдет и при одинаковом уменьшении Uвх1 и Uвх2. При этом сигналы Uвх1 и Uвх2 равные по величине и по фазе называются синфазными.

Рассмотрим случай, когда входные сигналы отличаются друг от друга. При этом:

Uвх1 = Uвх1₀+ ∆Uвх1; Uвх2 = Uвх2₀- ∆Uвх2, следовательно,

Iк1 = Iк1₀+ ∆Iк1; Iк2 = Iк2₀- ∆Iк2.

Uвых1 = Uвых1₀+ ∆Uвых1; Uвых2 = Uвых2₀- ∆Uвых2,

и как результат: Uвых2 - Uвых1 = 2∆Uвых.

Из последнего выражения видно, что присутствие на входе ДУ разнополярных сигналов ведет к увеличению разности напряжений на выходе (Uвых).

Входные сигналы, отличающиеся друг от друга на одну и ту же величину, называются дифференциальными или парафазными. Если на один вход ДУ подать нулевой потенциал, а на другой вход – усиливаемый сигнал, то ДУ будет работать как обычный усилитель напряжения.

Таким образом, синфазность входных сигналов позволяет подавлять синфазные помехи, то есть сигналы которые в одинаковой мере увеличиваются или уменьшаются по амплитуде. Это значит, что изменение входных напряжений обусловленных изменениями температуры, колебаниями питающих напряжений и старением элементов, на выходе ДУ дают нулевые приращения. Следовательно дифференциальный усилитель является идеальным усилителем постоянного тока, причем подавление синфазных сигналов тем больше, чем симметричнее выполнены плечи. Идеальным с этой точки зрения является ОУ в интегральном исполнении, так как резисторы R1 и R2, транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковую геометрию, расположены близко друг к другу, сформированы на одной подложке, изготовлены в одном и том же технологическом цикле, подвергаются одним и тем же температурным изменениям и имеют одинаковую интенсивность старения.

Структурная схема операционного усилителя и его условное обозначение приведены на рисунке.

Вход 1, обозначенный знаком плюс, называют неинвентирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком минус, называют инвентирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность.

Рассмотрим принципиальную схему подключения ОУ, приведённую на рисунке.

((__lxGc__=window.__lxGc__||{'s':{},'b':0})['s']['_228469']=__lxGc__['s']['_228469']||{'b':{}})['b']['_699880']={'i':__lxGc__.b++};