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 A_v = изменение выходного напряжение / изменение входного напряжения = Δ V_вых / 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 A_v = 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 ( V₂—V₁) между вводами, которая по­является как выходное напряжение. Таким образом,

А_v = V_вых / ( V₂—V₁) = V₀ /  V₂—V₁

или V₀ = A_v (V₂— V₁),  где A_v — 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 = А_v ( V₂—V₁) = 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 R_f (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 R_in 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) / R_in.  Знак «—» показывает сдвиг по фазе на 180°. Если R_f = 10 кОм, а R_iп = 500 Ом, то коэффициент усиления напряжения A_v определяется как

 

A_v  = 10 000 Ом / 500 Ом 

A_v =  - 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_f = 10 кОм, a R_in = 1 кОм, то A_v = V₀ / V_i = - R_f  / R_in = - 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.