ОПЕРАЦИ0ННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рассмотрим этот самый операционный усилитель как элемент схемы, обладающий определенными параметрами и изображенный на рис.1а. Выводы имеют следующее назначение:
Вх- — инверсный вход (сигнал на выходе будет проинвертирован, то есть если на этом входе он был положительным, то на выходе станет отрицательным);
Вх+ — прямой вход (какая была полярность входного сигнала, такая и останется на выходе);
+ U — вывод положительного напряжения питания (+U пит);
Q — выход;
-U — вывод отрицательного напряжения питания (-U ПИТ).

Нумерация основных выводов у большинства операционных усилителей, изготавливаемых в одинаковых корпусах, совпадает. Одна из целей этого — получение возможности заменять менее совершенный усилитель более совершенным без переделки схемы. Для примера рассмотрим операционный усилитель К140УД7, выпускаемый в стандартном металлостек-лянном корпусе. Как показано на рис. 1б, этому самому усилителю хватило бы и пяти "ног". Но стандартный металлостеклянный корпус имеет 8 выводов, и лишние выводы используют для балансировки и различных других целей. Это позволяет корректировать некоторые параметры усилителя "в нужную сторону". В общем-то, хотелось бы, конечно, чтобы он обладал следующими характеристиками (в скобках даны параметры микросхемы К140УД7):
- бесконечно большим входным сопротивлением (0,4 МОм);
- бесконечно малым выходным сопротивлением (200 Ом);
- бесконечно большим коэффициентом усиления (30 000);
- бесконечно широкой полосой пропускания (частота единичного усиления — 0,8 МГц);
- бесконечно малым входным током (0,4 мкА).

Имеется еще ряд желательных "бесконечностей", но для любительских конструкций в большинстве случаев достаточно знать, что делать с "этими", тем более, что реальные параметры ОУ, в общем-то, отличаются от "бесконечных". Не будем "хватать звезд с неба", и попробуем для начала сделать на операционном усилителе К140УД7 повторитель напряжения (почти эмиттерный повторитель). Для этого, оказывается, достаточно соединить инвертирующий вход 2 с выходом 6 (рис.2). Входом будет "работать" вывод 3, выходом — вывод 6. Цепи питания не показаны, чтобы не усложнять схему, так как что с ними делать, ясно. Вывод +U (7) подключается к положительной клемме двухпо-лярного источника питания (+15 В), вывод -U (4) — к отрицательной (-15 В). Между выводами питания ОУ и общим проводом желательно всегда включать блокировочные конденсаторы емкостью 0,01...0,47 мкФ.

В общем, все очень просто. Конечно, повторитель можно, вроде бы, сделать и на транзисторе, но этот повторитель имеет входное сопротивление, равное входному сопротивлению усилителя (=0,5 МОм), умноженному на коэффициент усиления (К >30 000), то есть имеем Rвх=15 ГОм. Получается "бешеная" цифра. Сделать нечто подобное на транзисторе вряд ли удастся. Величина входного сопротивления оказывается уже сравнима с сопротивлением не очень качественной изоляции. А есть же еще "операционники" с полевыми транзисторами на входе! Что получается в этом случае, пусть читатель считает сам.

Но повторитель повторителем, а хотелось бы что-нибудь и усилить, и, по возможности, поточнее знать, восколько раз мы это сделаем и какими будут входное и выходное сопротивления каскада. Причем не будем "мелочиться", и будем отбрасывать громоздкие "хвосты" формул, если они не сильно влияют на рассчитываемый параметр (жизнь радиолюбителя и так не очень простая). На рис.3 изображена схема инвертирующего усилителя. Не буду вдаваться в длительные объяснения и сразу приведу упрощенные расчетные формулы для этой схемы (1):

Штрихом обозначены параметры "голого" операционного усилителя, то есть без дополнительных внешних элементов. Конечно, это не совсем "грабли" (здесь есть латинские буквы!), но знания математики в объеме школьной программы должны помочь в этом разобраться. Резистор R3, включенный между неинвертирующим входом и "землей", предназначен для уменьшения температурной нестабильности постоянного напряжения на выходе из-за разности входных токов реального операционного усилителя. Величина его выбирается обычно так (2):

R3=R1*R2/(R1+R2)

Осталось "нарисовать" еще неинвертирующий усилитель, и первое знакомство с "операционником" можно считать законченным. Эта самая схема приведена на рис.4. Она не сильно отличается от "инвертирующей", но расчетные формулы немного другие. Приведу их в том же порядке, что и для инвертирующего усилителя:

Описанные схемы работают и с постоянными потенциалами, то есть могут усиливать и постоянное напряжение. При этом все приведенные формулы справедливы. Работа в качестве усилителя постоянного напряжения требует, как правило, дополнительной (внешней — с помощью переменного резистора) балансировки усилителей. Но об этом позже.

Все, что написано выше, конечно, хорошо, но два источника питания? Не всегда это устраивает. Поэтому рассмотрим вариант питания операционного усилителя от однополярного источника, тем более, что это потребует включения в схему всего лишь несколько дополнительных элементов. Однако в таком случае придется отказаться от возможности усиливать постоянное напряжение. Но по этому поводу можно сказать, что не очень-то и хотелось. Усилим переменное — и слава Богу. Схема усилителя переменного напряжения с однополярным питанием приведена на рис.5. Формулы для расчета параметров каскада остаются прежними. Однако наличие разделительных конденсаторов конечной емкости потребует учета их сопротивления переменному току на нижней границе частотного диапазона. Величина С1 может быть определена по формуле (3):

C1>10/6.28*R1*f

где f — нижняя рабочая частота диапазона.

Деталей, конечно, стало больше, но ничего не дается даром. Резисторы R3 и R4 образуют делитель напряжения, задающий уровень постоянного напряжения на выходе усилителя. СЗ— конденсатор для подавления помех, неизбежно присутствующих в цепях питания и через резистор R3 попадающих на прямой вход операционного усилителя. Для той же цели используется и С2. В общем, все не так страшно, как кажется на первый взгляд.

Ну а если потребуется сделать что-нибудь более существенное, то здесь уже никуда не денешься, придется браться за изучение литературы.

Другие страницы сайта