Операционный усилитель    

    Усилитель — это устройство для увеличения амплитуды малого пере­менного напряжения без искажений.

     

     

     

     

     

     

    Операционный усилитель начинает действовать сразу же после подклю­чения и не требует какого-либо дру­гого источника питания. Внешний вид операционного усилителя (741 Ор Амр) показан на рисунке 1. Уси­литель 741 Ор Амр представляет собой пластмассовый корпус с восьмью рас­положенными в два ряда выводами (штырями), внутри него находится кремниевая пластина, содержащая полную линейную усилительную цепь примерно из 20 транзисторов, 11 рези­сторов и конденсатора. В этой части рассматривается, как цепь может ра­ботать и как использовать это устрой­ство.

     

     

    Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Входные сигналы в этот операционный усилитель пред­ставляют собой входные напряжения, а выходной сигнал — выходное напряжение (рис. 2). Усиление про­исходит на основе разности между двумя входными напряжениями, это и определяет название дифференциаль­ный усилитель. Инверторный ввод обо­начен «—», а неинверторный — « + », как показанно на рисунке 3. Первый соединен с положительным полюсом источника, а второй - с отрицательным.

     

     

    Восемь выводов, или штырей, про­нумерованные от 1 до 8, расположены в направлении против часовой стрел­ки, начиная со штыря 1, ближайшего к метке на поверхности усилителя (рис. 4). Напряжения источника не должны превышать -(-18 В на поло­жительном вводе и —18 В на отри­цательном.

     

     

     

    Коэффициент усиления напряжения


    О качестве усилителя судят по коэффициенту усиления напряжения, которое представляет собой отноше­ние изменения выходного напряже­ния к изменению входного напря­жения:

     

    коэффициент усиления напряжения Av = изменение выходного напряжение / изменение входного напряжения = Δ Vвых / Δ V вх.

     

    Если изменение в 10 мВ входного на­пряжения создает изменение в 1 В выходного напряжения, то коэффи­циент усиления напряжения состав­ляет 100:

     

    коэффициент усиления напряжения Av = 1,0 В / 0,01 В = 100

     

     

    Когда изменение выходного напря­жения прямо пропорционально изме­нению входного напряжения, усили­тель называется линейным. В идеале усилитель 741 Ор Амр должен дать график, изображенный на рисунке 5, а. На практике же он не совсем линеен, а имеет вид, показанный на рисунке 5, б. При достижении оп­ределенного входного напряжения дальнейшего роста выходного напря­жения не происходит. В этом случае говорят, что усилитель находится в режиме насыщения.

     

     

    Когда усилитель 741 Ор Амр вклю­чен в цепь без внешней обратной свяпоказано на рисунке 6,то коэффициент усиления напряжения очень велик — примерно 10 000, и он называется коэффициентом усиления без обратной связи (открытого конту­ра). Входное и выходное напряжения измеряются по отношению к выводу заземления. Когда используются и ин­верторный, и неинверторныи вводы, то усиливается разность напряжений ( V2V1) между вводами, которая по­является как выходное напряжение. Таким образом,
    Аv = Vвых ( V2V1) = V0 /  V2V1

    или V= A(V2— V1),  где Av — это ко­эффициент усиления без обратной связи. Действуя подобным образом, говорят, что усилитель 741 Ор Амр функционирует как дифференциаль­ный усилитель.

    Принимая коэффициент усиления открытого контура за 10 000, V2 =  5,1 мВ и V1=5 мВ, получаем вы­ходное напряжение V0:

     

    V0 = Аv ( V2V1) = 10 000 * (5,1 - 5) / 1000 В = 10 * 0,1 В

    V0 = 1 В

     


     

    Операционный усилитель без об­ратной связи работает не очень ста­бильно. Если использовать резистор обратной связи Rf (рис. 7), то об­щий коэффициент усиления напряже­ния уменьшается, но им можно точно управлять. Часть выходного напря­жения подается обратно через рези­стор к отрицательному вводу. Отриwательная обратная связь изменяет коэффициент усиления напряжения всего усилителя, который теперь назы­вается усилителем с замкнутым кон­туром.

     

     

     

    Соединение неинверторного ввода с землей, как на рисунке 8, и подведение входного сигнала через Rin к инверторному вводу создают сдвиг по фазе на 180°. Таким образом, повышение положительного напряже­ния на входе приводит к увеличению отрицательного напряжения на выхо­де, поэтому штырь 2 обозначается отрицательным знаком (—).

    Когда усилитель действует подоб­ным образом, говорят, что он функ­ционирует как инверторный усилитель. Коэффициент усиления напряжения инверторным усилителем определяется по формуле A v= — R (f) / Rin.  Знак «—» показывает сдвиг по фазе на 180°. Если R= 10 кОм, а Riп = 500 Ом, то коэффициент усиления напряжения Av определяется как

     

    A = 10 000 Ом / 500 Ом 

    Av =  - 20

     

    Это — усиление в 20 раз со сдвигом по фазе на 180°.

    Для усилителя 741 Ор Амр нужно два источника питания, и напряжение этих источников определяет усиление. Напряжения входа и выхода измеря­ются относительно вывода заземления

    (корпуса), который соединяется с центральным зажимом источника пи­тания. На рисунке 9 показаны две 9-вольтовые батареи. Максимальное напряжение источника может быть ±18 В. Если R= 10 кОм, a Rin = 1 кОм, то Av = V0 / Vi = - Rf  / Rin = - 10

    Если инверторный ввод усилителя 741 Ор соединить с землей и к неин­верторному вводу подвести входной сигнал (рис. 10), то выходной сигнал будет находиться в фазе с вход­ным, т. е. увеличение положительного напряжения на входе проявляется как увеличенное положительное напряже­ние на выходе.

     

     




     


     

Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved