1 - Инвертирующий вхід, 2 - неінвертуючий вхід, 3, 4 - харчування постійною напругою, 5
У загальному вигляді ОУ можна уявити що складається з чотирьох каскадів: вхідного диференціального підсилювача, що має симетричний вхід і забезпечує високу стабільність, малий шум і т.п. ; проміжного підсилювача напруги з великим коефіцієнтом підсилення; каскаду зсуву рівня нуля і вихідного емітерного повторювача виконаного за схемою двотактної і забезпечує мале вихідний опір ОУ.
Можна визначити наступні радіотехнічні вимоги до ідеального ОУ:
1. Коефіцієнт посилення по напрузі нескінченно великий: K ® ¥.
2. Вхідний опір велике: Rвх ® ¥.
3. Вихідний опір мало: Rвих ®0.
Властивості схем ідеального ОУ визначаються тільки зовнішніми по відношенню до ОУ елементами. Розглянемо кілька найпростіших таких схем.
Инвертирующий підсилювач.
Найпростішою є інвертується підсилювач, схема якого наведена на ріс.5.20 (А). Інвертується вхід ОП з'єднаний з виходом ОУ резистором R2. сигнал u1 подається на інвертується вхід через резистор R1. а неінвертуючий вхід з'єднаний з землею.
А) Инвертирующий підсилювач
Б) Неінвертуючий підсилювач
Мал. 5.20 Підсилювачі на основі ОУ.
Якщо прийняти коефіцієнт посилення ОУ по напрузі К = ¥, а вихідна напруга обмежена, то U1 = 0, а струми визначаються з виразів:
Так як U1 ®0, a Rвх ® ¥, Io також дорівнює нулю і I1 = -I2. Висловлюючи струми за допомогою (5.20), отримуємо коефіцієнт посилення схеми:
Знак «мінус» означає, що вхідний і вихідний сигнали знаходяться в протифазі. Відзначимо, щоб реальний ОУ працював як ідеальний, необхідним є дотримання співвідношень:
де RH - опір ланцюга навантаження. Похибка коефіцієнта посилення схеми в результаті невиконання цих умов визначається за такими формулами:
Вхідний опір схеми для джерела сигналів визначається опором R1. т. е. Rвх = R1.
Неінвертуючий підсилювач.
Тут (рис. 5.20 (Б)) вхідний сигнал подається на вхід (+), а по інвертується входу здійснюється зворотний зв'язок. Коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв'язку
Знак «мінус» поставлений тому, що зворотний зв'язок подається на інвертується вхід. Коефіцієнт передачі всього ланцюга (коефіцієнт посилення) дорівнює:
Вхідний опір схеми через наявність негативного зворотного зв'язку зростає:. a вихідний опір зменшується
У деяких випадках не настільки важливим є посилення по напрузі, як здатність підсилювача погоджувати високий внутрішній опір джерела сигналів c низьким і, можливо, що змінюються, опором навантаження. Для цих цілей використовують повторювач (рис. 5.21) напруги c повної зворотним зв'язком по інвертується входу: R1 = ¥, R2 = 0.
Мал. 5.21. Схема повторювача напруги
Як видно, коефіцієнт передачі такого ланцюга дорівнює одиниці, вхідний опір сильно зростає, а вихідна зменшується. Таким чином, можна ставити низкоомную навантаження Rн = Rвих при високоомному опорі генератора Rг = Rвх.
Подамо на вхід инвертирующего підсилювача (рис. 5.20 (А)) сигнали як показано на рис. Мал. 5.22.
Мал. 5.22. Схема суматора.
Струм через опір зворотного зв'язку Rсв визначається сумою струму від кожного вхідного сигналу:
Напруга на виході дорівнюватиме сумі вхідних напруг з ваговими функціями:
При однакових опору R1 = R2 = R3 отримуємо простий суматор, при опорах кратних двом або десяти, можна зробити складання з множниками, відповідними розрядами двійковій або десяткової системи.
Дана схема (рис. 5.23) виходить зі схеми инвертирующего підсилювача (рис. 5.20 (А)) заміною опору R2 на ємність C. має для синусоїдального сигналу комплексне опір
Вираз (5.28) є умовою інтегрування сигналу, так як всі складові спектра сигналу на вході діляться на jw. Для сигналу довільної форми отримаємо:
Мал. 5.23. Схема інтегратора.
На відміну від пасивної інтегруючого ланцюга, твір RС тут може бути навіть менше тривалості (або періоду) сигналу Т.
Мал. 5.24. Схема дифференциатора.
Дана схема (рис. 5.24) виходить зі схеми інтегратора, заміною місцями ємності і опору. Замінюючи у формулі (5.21) R1 на
Це є умовою диференціювання сигналу, так як кожна складова спектра на вході множиться на jw. Отже,
Вираз (5.31) може бути застосовано при виконанні умови RC <
Мал. 5.25. Логаріфмірующая схема.
У колі зворотного зв'язку ставиться діод або емітерний діод (рис. 5.25). ВАХ p -n переходу визначається рівністю. яке є досить точним при
Підсумовуючи вихідні напруги декількох логарифмічних підсилювачів, можна отримати суму логарифмів від декількох напруг, що дорівнює логарифму твору цих напруг. Зворотну операцію - знаходження твори по логарифму - можна здійснити за допомогою антілогаріфміческой схеми, в якій діод VD і опір R міняються місцями.
Загальним для всіх розглянутих схем є те, що їх властивості визначаються не параметрами ОУ, параметрами зовнішніх елементів (опорів, ємностей і т.д.).