Принцип работы операционного усилителя

Опубликовано 12.01.2010

Итак, что же такое операционный усилитель? В чем его отличительные особенности и особенности его применения?
В принципе, гораздо проще рассматривать его как некий "черный ящик" с характеристиками идеального операционного усилителя, но все-таки нужно иметь представление о его внутренней структуре и принципах работы во избежание проблем, связанных с его схемотехникой.
Структура различных операционных усилителей отличается друг от друга, но в основе лежит один и тот же принцип.
Операционные усилители состоят из следующих функциональных блоков:
- Дифференциальный усилитель - обеспечивает усиление при малом уровне шума, имеет высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.
- Усилитель напряжения - имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, спад амплитудно-частотной характеристики подобно однополюсному фильтру низких частот, обычно единственный выход.
- Выходной усилитель - обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение от выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.
Дифференциальный усилитель представляет собой электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу.
На схемах операционный усилитель обычно изображается следующим образом:
Как видим, операционный усилитель имеет два входа - инвертирующий и неинвертирующий - и один выход.
Естественно, у реального операционного усилителя выводов больше, как минимум на количество выводов питания. Но нас в данном случае это не интересует.
Если подать сигнал на инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный или зеркальный сигнал, то есть сдвинутый по фазе на 180 градусов.
Если же подать сигнал на неинвертирующий вход, то получим фазово неизмененный сигнал.
Применение операционных усилителей обусловлено следующими свойствами:
- очень высокое входное сопротивление;
- очень высокий коэффициент усиления (10 000 и выше);
- и очень низкое выходное сопротивление.
Существует более десятка типовых схем включения операционных усилителей, каждая из которых имеет свои особенности, например - компаратор, инвертирующий или неинвертирующий усилитель, или частотный фильтр.