Что называется операционным усилителем

Операционный усилитель. Устройство и применение.

Прообразом современных интегральных операционных усилителей (ОУ) послужил μA702, созданный Робертом Видларом (Robert John Widlar) в компании Fairchild Semiconductor в 1965 г. Также знаковым этапом в развитии интегральных ОУ стал μA741 — первый ОУ с встроенной частотной коррекцией. Он оказался настолько удачной разработкой, что версии этой микросхемы производятся до сих пор. Впоследствии появилось еще множество типов ОУ, и их совершенствование постоянно продолжается.

Сегодня на рынке немало вариантов ОУ, описать их все в нашем коротком обзоре невозможно, поэтому рассмотрим только линейные ОУ с обратной связью по напряжению, оставив за рамками обзора ОУ с обратной связью по току, иногда их называют трансимпедансными ОУ, логарифмические и дифференциальные ОУ, каждый из которых имеет свою специфику. Также по причине ограниченного объема обзора мы не сможем описать все без исключения параметры ОУ и множество схем его применения. Но постараемся упомянуть основные особенности и базовые схемы.

Классификация ОУ

ОУ представляет собой сложный электронный компонент, работа которого описывается многими параметрами. Универсального ОУ, одинаково пригодного для всех случаев, не существует. Производители выпускают специализированные усилители, отвечающие требованиям конкретных областей применения. Классификация ОУ у разных производителей может немного различаться, но в общем случае она выглядит следующим образом:

• ОУ общего применения;
• ОУ с малым энергопотреблением (микромощные ОУ);
• ОУ с низкими входными токами (электрометрические ОУ);
• прецизионные ОУ;
• ОУ с низким уровнем шума;
• высокоскоростные ОУ.

ОУ общего применения отличаются низкой стоимостью и невыдающимися параметрами, они используются в схемах, где не предъявляются особые требования по точности и быстродействию, не нужно работать с микровольтовыми сигналами и энергопотребление не ставится во главу угла.

ОУ с малым энергопотреблением используются в системах батарейного питания. В таких системах важно снизить энергопотребление до минимума, чтобы продлить срок службы батарей. К микромощным ОУ причисляют усилители с собственным потреблением не более 0,5–1 мА. В ряде случаев желательно, чтобы у таких ОУ был предусмотрен режим выключения (shutdown), при котором выходной каскад переводится в высокоимпедансное состояние. В этом случае ток потребления можно снизить до нескольких микроампер или даже менее 1 мкА.

ОУ с низкими входными токами используются, когда внутреннее сопротивление источника сигнала, поступающего на вход ОУ, достигает многих сотен мегаом или нескольких гигаом. Входные токи электрометрических ОУ измеряются единицами пикоампер.

Для прецизионных ОУ важны высокая точность и повторяемость результатов. Чтобы обеспечить эти характеристики, требуется выбрать ОУ с высоким коэффициентом усиления, малым напряжением смещения V_OS и низким температурным дрейфом напряжения смещения. В зависимости от схемы может понадобиться высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).

ОУ с низким уровнем шума востребованы в схемах с микровольтовым уровнем сигнала. Спектральная плотность шума в таких случаях не должна превышать 10 нВ/√Гц. Полоса пропускания высокоскоростных ОУ должна быть не менее 50 МГц, поскольку они используются в схемах, где требуется широкая полоса частот.

Следует понимать, что производственные технологии совершенствуются и приведенная выше классификация достаточно условна. Например, прецизионные ОУ, как правило, имеют низкий уровень шума. А электрометрические ОУ могут по параметрам частично совпадать с прецизионными ОУ.

Кроме того, ОУ различаются по технологии изготовления:

• биполярные ОУ;
• КМОП ОУ;
• биполярные ОУ с входным КМОП-каскадом.

По биполярной технологии производятся высокоскоростные ОУ и усилители с повышенным напряжением питания. Также эта технология обеспечивает малое напряжение смещения V_OS, низкий температурный дрейф и отличное подавление синфазного напряжения.

КМОП ОУ обеспечивают низкое напряжение питания, малое энергопотребление и размах сигнала, равный напряжению питания (rail-to-rail). Также эти усилители имеют минимальный входной ток, вплоть до сотен пикоампер. Попытка взять лучшее от обеих технологий привела к созданию биполярных ОУ с входным КМОП-каскадом, но сегодня такие усилители встречаются нечасто.

Идеальный ОУ и основные расчетные соотношения

Рис. 1. Общий принцип построения ОУ

Несмотря на то, что схемотехника ОУ довольно разнообразна, в них может содержаться от нескольких десятков до нескольких сотен транзисторов, а параметры ОУ могут существенно различаться, общий принцип их построения неизменен для всех вариаций (рис. 1). Многие параметры ОУ зависят от входного дифференциального каскада, упрощенная схема которого приведена на рис. 2. Как видно из рисунка, на вход каскада подаются два сигнала, с которыми и совершаются математические операции. Отсюда и название — операционный усилитель.

Рис. 2. Упрощенная схема входного дифференциального каскада ОУ

Рис. 3. Базовые схемы включения ОУ

Один из входов ОУ является инвертирующим, другой — неинвертирующим. На рис. 3 приведены базовые схемы включения ОУ, опираясь на которые, мы постараемся разъяснить особенности применения ОУ и их основные параметры. Для вычисления коэффициента усиления схем на рис. 3 используется модель идеального ОУ с бесконечным коэффициентом усиления A_OL (OL, Open Loop — разомкнутая петля обратной связи) и бесконечным входным импедансом. Из этих допущений следует три соотношения:

Z _ВЫХ = 0 (3)

Где: I₊ — входной ток неинвертирующего входа; I _– — входной ток инвертирующего входа; V₊ — напряжение на неинвертирующем входе; V _– — напряжение на инвертирующем входе; Z _ВЫХ — выходной импеданс ОУ.

Исходя из соотношений (1) и (2) легко получить значение коэффициента усиления А_CL (CL, Close Loop — замкнутая петля обратной связи) для схем на рис. 3. Для инвертирующего усилителя (рис. 3а) в соответствии с (2) получаем:

V _ВХ /R1 + V _ВЫХ /R2 = 0

Для неинвертирующего включения ОУ (рис. 3б) из условия (1) запишем:

V _ВЫХ * [ R1/(R1 + R2)] = V _ВХ (5)

А_CL = V _ВЫХ /V _ВХ = 1 + (R2/R1) (6)

Для схемы с дифференциальным включением (рис. 3в) исходя из (1) имеем:

V₊ = V _{ВХ 2} * [R4/(R3 + R4)] (7)

При усилении дифференциального сигнала обычно выполняется соотношение (R1/R2) = (R3/R4). В этом случае соотношение (5) принимает вид:

V _ВЫХ = (V _ВХ2 – V _ВХ1 ) * (R2/R1) (9)

Обратите внимание: в инвертирующем включении (рис. 3а), в соответствии с условием (1), напряжение на входах ОУ V₊ = V _– = 0 В. При неинвертирующем и дифференциальном включении (рис. 3б и 3в) напряжение на входах ОУ отлично от нуля и определяется соотношениями (5) и (7), но при этом по-прежнему выполняется условие (1). Напряжение, описываемое соотношениями (5) и (7), называется синфазным напряжением V_CC. При инвертирующем включении ОУ V_CC = 0.

Несмотря на принятые выше допущения (1), (2) и (3), при корректном выборе ОУ полученные для коэффициентов усиления соотношения (4), (6) и (9) можно использовать на практике для подавляющего большинства случаев. Если вместо резисторов R1–R4 применяются более сложные цепи, расчет передаточных функций также выполняется исходя из допущений (1), (2) и (3), при этом в формулах (4), (6), (9) вместо сопротивлений R1–R4 используются импедансы Z1–Z4 соответствующих цепей.

Параметры реального ОУ

В реальном ОУ коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью A_OL хоть и очень велик, но все же конечен, из-за чего выражение коэффициента усиления реального ОУ с замкнутой обратной связью А _CLR принимает следующий вид:

При корректном выборе ОУ ошибка усиления будет невелика. Например, при А_CL = 10 и A_OL = 100 000 получим А_CLR = 0,9999А_CL.

Даже самая совершенная производственная технология не позволяет изготовить абсолютно одинаковые транзисторы в дифференциальном входном каскаде (рис. 2). Поэтому при одинаковом входном напряжении на выходе дифференциального каскада имеется напряжение смещения V_OS, которое приведет к появлению нежелательного выходного напряжения V _ВЫХ = А_{CL *} V_OS. Высокий температурный дрейф напряжения приведет к нарушению повторяемости результатов измерения, что недопустимо для прецизионных схем.

Если требуется получить очень высокую точность, рекомендуем использовать ОУ с автоматической компенсацией смещения, которые функционально представляют собой систему из нескольких усилителей. Их стоимость довольно высока, но у них нет альтернативы, если требуется добиться очень высокой точности повторяемости результатов измерения.

Еще одним источником ошибки может стать синфазное напряжение V_CC, о котором мы писали выше. При неинвертирующем включении (рис. 3б) выполняется соотношение V _ВХ = V_CC. Реальный ОУ не только усиливает входное напряжение V _ВХ , но и передает с выхода на вход напряжение V_CC, при этом ослабляя его в КОСС (в англоязычной транскрипции CMRR) раз. Таким образом, выходное напряжение определится из соотношения (11):

В современных ОУ КОСС варьируется в пределах 60–120 дБ. Необходимо учесть, что КОСС зависит от частоты: примерный вид зависимости приведен на рис. 4. Обычно производители приводят подобный график в документации.

Рис. 4. Зависимость КОСС от частоты

Оказывает влияние на работу ОУ и напряжение питания: его изменение сказывается на входном напряжении смещения V_OS. Ослабление влияния напряжение питания на работу ОУ характеризуется коэффициентом ослабления нестабильности питания (КОНИП), в англоязычной литературе – PSRR. КОНИП определяется следующим образом:

Рис. 5. Зависимость КОНИП от частоты

Так же, как КОСС, КОНИП зависит от частоты. Примерный вид такой зависимости показан на рис. 5 . К сожалению, далеко не всегда производители указывают значение КОНИП и приводят его график. Учтите, что приведенная зависимость справедлива при синусоидальном изменении напряжения питания. «Иголки» и «пички» на шинах питания подавляются гораздо хуже и легко «пролезают» на вход, поэтому топология шин питания имеет очень большое значение при разработке печатной платы.

Рис. 6. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ

При выборе ОУ обязательно нужно обращать на его динамические характеристики. Амплитудно- и фазо-частотная характеристики ОУ схематично изображены на рис. 6 . В документации производитель указывает границу полосы единичного усиления (GBW в англоязычной литературе). Вернемся к формуле (10) и уточним, что погрешность усиления зависит от частоты сигнала.

Еще одним важным динамическим параметром является скорость нарастания SR выходного сигнала ОУ. Она определяет полосу пропускания большого сигнала. Величина SR определяется из простого соотношения:

SR = Δ(V _ВЫХ )/Δt (13)

SR выражается в В/нс.

Полоса пропускания большого сигнала BW_LS определяется из формулы:

BW_LS = SR/(0,707 * 2π * V_PLS) (14)

Где: V_PLS – амплитуда большого сигнала.

Операционный усилитель

Операционный усилитель — это усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, который может быть очень большим, вплоть до миллионов. Часто встречается коэффициент усиления в 200 000. Операционные усилители способны усиливать сигналы переменного тока, также как сигналы постоянного тока, они чаще используются в измерительном оборудовании для усиления сигналов постоянного тока.

Название «операционный» усилитель происходит от того, что выполняемые операционным усилителем функции представляют собой математические операции. Например, устройство для извлечение квадратного корня является контрольно-измерительным устройством, в котором используется операционный усилитель для определения квадратного корня сигналов для обеспечения контроля изменения величины потока жидкой или газообразной среды.

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Операционные усилители не обладают бесконечными входными сопротивлениями и нулевыми выходными сопротивлениями. Хотя возможно входное сопротивление в несколько триллионов Ом, и выходные сопротивления близкие к нулю. В результате выходные сигналы от таких операционных усилителей могут очень точно регулироваться. По этой причине операционные усилители считаются точными усилителями.

Высокая степень точности, обеспечиваемая операционными усилителями, возможна благодаря применению технологии интегральных схем. Хотя в принципе возможно изготовить операционный усилитель из дискретных компонентов, соединенных вместе на монтажной плате, однако практически все операционные усилители в настоящее время выполнены в виде интегральных схем.

Кристалл интегральной схемы операционного усилителя содержит все транзисторы и другие элементы, необходимые для усиления сигнала. Стандартный кристалл выполнен из, на нем может располагаться порядка 30 транзисторов и других элементов.

При использовании операционных усилителей в различных типах схем они могут выполнять различные операции, необходимые в контрольно-измерительном оборудовании. Например, они могут суммировать сигналы, вычитать сигналы, находить среднюю величину сигнала и выполнять даже более сложные функции.

Схемы операционного усилителя

Все операционные усилители имеют два входа. Минус на схеме обозначает один вход, плюс — другой. Условное обозначение операционного усилителя можно узнать на схеме по знакам плюс и минус на вертикальной стороне треугольника. Это отличительные черты условного обозначения операционного усилителя. Если вы встретите на схеме подобный символ, но без знаков плюс и минус, то элемент, обозначенный таким образом, может представлять собой усилитель, но это не операционный усилитель.

Выход операционного усилителя представлен на вершине треугольника, противолежащей стороне, где находятся входные зажимы. Соединения с источником питания обычно обозначаются линиями на противоположных сторонах треугольника. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу от биполярного источника напряжения, имеющего положительное и отрицательное напряжения. В целом, операционные усилители могут работать в пределах напряжения от +-1 В до +-40 В. Наиболее распространенное напряжение питания для них 15 В.

Выход биполярного источника напряжения измеряется относительно нуля вольт, не всегда относительно земли шасси. Для указания точки отсчета используется стрелка с не закрашенной треугольной головкой. Такая стрелка показывает общую точку в схеме, называемую «общей точкой сигналов». Входной и выходной сигналы операционного усилителя также измеряются относительно общей точки сигналов. Соединения общих точек сигналов не всегда отображаются на принципиальных схемах с операционными усилителями.

Корпусы операционных усилителей

Операционные усилители размещаются в контейнерах, называемых корпусами. Четыре наиболее распространенных типов корпусов это: ТО-5 (корпус транзисторного типа), DIP (плоский корпус с двухрядным расположением выводов), мини — DIP и плоский корпус с планарными выводами.

Штырьки корпуса операционного усилителя используются в качестве выводов, с их помощью операционный усилитель соединяется с остальной схемой. Операционные усилители либо непосредственно припаиваются к монтажной плате, либо вставляются в колодку, которая припаяна к плате. Если операционный усилитель вставлен в колодку, его легко можно извлечь при помощи специального пинцета, предназначенного для этих целей.

Читайте также

Дифференциальный усилитель операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Измерительный усилитель измененный дифференциальный регулятор, на входах которого установлены повторители напряжения

Инвертирующий операционный усилитель повторитель напряжения, который может получить почти любой коэффициент усиления

Неинвертирующий операционный усилитель может быть модифицирован таким образом, чтобы получить почти любой коэффициент усиления

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

12 недорогих наборов электроники для самостоятельной сборки и пайки

Моя личная подборка конструкторов с Aliexpress «сделай сам» для пайки от простых за 153 до 2500 рублей. Дочке 5 лет — надо приучать к паяльнику))) — пусть пока хотя-бы смотрит — переходи посмотреть, один светодиодный куб чего только стоит

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять — двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых .}

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»

Хороший набор радиолюбителя по ссылке

Операционные усилители. Устройство и принцип действия.

Операционные усилители. Устройство и принцип действия.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, а следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю.

В ходная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим.

Условное схематическое обозначение дифференциального операционного усилителя приведено на рис. 1, а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +ЕП и -Е„. Положительное и отрицательное напряжение питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

Рис. 1. Схематическое изображение дифференциального операционного усилителя (а), инвертирующего (б) и неинвертирующего (в)

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис.1, б), а другой — неинвертирующим (рис.1, в ). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле:

где А  — коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U вых = — U вх2 A ; а для неинвертирующего U вых= U вх1 A . Разностное напряжение ( U вх1 – U вх2) = U диф — называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным U сф= U вх1 = U вх2. Для синфазного сигнала в соответствии с формулой выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов.