Вступ. 
Розробка інвертуючого підсилювача

Операційний підсилювач — підсилювач постійного струму з диференційним входом, що має високий коефіцієнт підсилення. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з від'ємним зворотним зв’язком (ВЗЗ). Операційні підсилювачі застосовуються в різноманітних схемах радіотехніки, автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки, — там, де необхідно підсилювати сигнали, в яких є постійна складова.

В даний час ОП отримали широке застосування, як у вигляді окремих мікросхем, так і у вигляді функціональних блоків — у складі складніших мікросхем. Така популярність обумовлена тим, що ОП є універсальним блоком з характеристиками, близькими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різноманітних електронних вузлів.

Розробка інвертуючого підсилювача на ОП

Опис принципу роботи операційного підсилювача

Аналогові інтегральні мікросхеми (АІС) призначені для перетворення і обробки електричних сигналів, що змінюються по безперервному закону. Це або напруга U (t) або I (t). Успіхи в області технології і схемотехніки сприяли тому, що АІС є на даний момент основними компонентами аналогових пристроїв і систем. Інтегральна технологія дозволяє отримувати груповим методом на одній підкладці сукупність елементів з взаємно погодженими характеристиками. Особливістю схемотехніки АІС є реалізація принципу надмірності схемотехніки. Він дозволяє вибирати такі рішення схемотехніки, які зрештою завдяки інтегральній технології покращують якість виробів, мінімізують площу кристала, підвищують технологічність. Все це привело до того, що основною аналоговою мікросхемою універсального призначення став операційний підсилювач.

Операційним підсилювачем (ОП) називають підсилювач напруги, призначений для виконання різних операцій над аналоговими сигналами при роботі в ланцюгах з негативним зворотним зв’язком (НЗЗ), до складу яких можуть входити опори ®, ємкості ©, індуктивності (L), діоди, транзистори і інші елементи.

Основні вимоги до ОП зводяться до того, щоб він як можна ближче відповідав ідеальному джерелу напруги, керованому напругою з нескінченно великим коефіцієнтом посилення. А це означає, що вхідний опір ОУ має дорівнювати нескінченності (R вх = ?) і, отже, вхідний струм I вх =0. Вихідний опір має дорівнювати нулю (R вих =0), а навантаження не повинне впливати на вихідну напругу. Частотний діапазон підсилювальних сигналів повинен тягнутися від постійної напруги до дуже високих частот. Оскільки коефіцієнт посилення великий, то при кінцевому значенні U_вих напруга на його вході має бути близькою до нуля.

Умовне позначення ОП приведене на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Умовне позначення операційного підсилювача.

Вхідні сигнали U вх1 і U вх2 можна подавати на будь-який з двох входів — що інвертує (позначений кружком) і не інвертує. Вхідний ланцюг ОУ виконаний за диференціальною схемою. Є виводи для подачі живлення Еп і підключення додаткових схем. Різницева напруга (U_вх1-U_вх2)=U_диф є диференціальним вхідним сигналом, воно прикладене між інвертуючим і неінвертуючим входами ОП. Вихідна напруга визначається у вигляді.

U_вих = (U_вх1— U_вх2)*K,.

де K>? коефіцієнт посилення по напрузі ОП.

Напівсума напруги ½(U_вх1+U_вх2) називається синфазним сигналом. Для цього сигналу вихідна напруга має дорівнювати нулю, проте в реальних підсилювачах це не виконується.

Основними параметрами операційного підсилювача є:

— коефіцієнт підсилення по напрузі:

K_UC=U_вих/U_вх;

• — амплітудно-частотна характеристика;
• — частота одиничного підсилення;
• — вхідний опір R_вх;
• — вихідний опір R_вих;
• — вхідні струми I_{вх (+)}, I_{вх (-)};
• — похибка вхідних струмів
• ? I_вх =¦ I_{вх (-)}— I_{вх (+)}¦;
• — вихідний струм I_вих;
• — швидкість наростання вихідного сигналу V;
• — напруга зміщення U_зм;
• — потужність;
• — дрейф напруги зміщення ?U_зм/градус;
• — дрейф похибки вхідних струмів ?I_вх/градус;
• — коефіцієнт придушення синфазних перешкод.

Функції, які виконують ОП визначаються елементами зворотнього зв’язку, в якості яких використовуються резистори, ємності, індуктивності, напівпровідникові прилади. На основі ОП можуть бути побудовані масштабні підсилювачі, суматори, інтегратори, стабілізатори струму і напруги, активні фільтри, підсилювачі змінного струму, генератори імпульсних сигналів, функціональні перетворювачі, схеми порівняння.

Типові схеми ввімкнення та реалізації математичних операцій з допомогою операційних підсилювачів:

1. Повторювач напруги.

Рис. 1.2.

При реалізації 100% від'ємного зворотного зв’язку за напругою, що задається із закороченням виходу з інвертуючим входом Uвих = Uвх, при цьому Rвх буде збільшений — Rвх (1+Кu), а вихідний зменшений — Rвих. зв = Rвих./(1+Кu). Uвих = Uвх.н.

Синфазний сигнал практично повністю подавляється, оскільки ДUвх = Uвх. н — Uвх.і.

2. Неінвертуючий підсилювач.

Рис. 1.3.

В неінвертуючому підсилювачі вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід. До інвертуючого входу вмикаються ланки послідовного зворотного зв’язку за напругою.

Коефіцієнт підсилення за зворотним зв’язком визначається через коефіцієнт підсилення без зв’язку і коефіцієнт передачі ланки зворотного зв’язку в. мікросхема операційний підсилювач.

.

Величина сигналу, що подається на інвертуючий вхід в визначається через відношення опорів резистивного подільника.

.

Враховуючи, що, одиницею в знаменнику можна знехтувати.

Отже, коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача не може бути меншим одиниці. Величина його повністю визначається ланкою зворотного зв’язку.