операционный усилитель

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ - усилитель электрических колебаний (УЭК) с внеш. цепями, предназначенный для выполнения нек-рых линейных операций (суммирование, интегрирование, дифференцирование и др.). Часто название "О. у." относят к самим УЭК, к-рые обычно выполняются в виде серийно выпускаемых микросхем. Структурная схема типового О. у. содержит входной дифференц. каскад, осн. усилитель и выходной каскад с малым выходным сопротивлением. О. у. имеет два входа: неинвертирующий (+) и инвертирующий ( - ); соответственно входное напряжение усиливается без смены или со сменой полярности. О. у. питается от источника биполярного (симметричного относительно корпуса) напряженияЕ.
Гл. требования, предъявляемые к характеристикам О. у.: высокий коэф. усиления k = 10³ - 10⁹; большое входное сопротивление R_вх (до 100 МОм) и малое выходное сопротивление R_вых (~10² Ом); нулевое значение выходного напряжения при нулевом входном и симметричное изменение выходного напряжения в обе стороны в нек-ром диапазонеU_max, близком кЕ; малый дрейф нуля, обусловленный изменениями внеш. условий и нестабильностью эдс источника; малый уровень собств. шумов; сильное (~60 дБ) подавление синфазной составляющей, т. е. малое значение отношения выходного напряжения ко входному, поданному одновременно на оба входа; широкая полоса пропускания (от 0 до 100 МГц). Выполнение этих требований обеспечивает возможность каскадного включения О. у., высокую точность выполнения операций и универсальность применения. Обычно УЭК охватывают отрицательной обратной связью с выхода на инвентирующий вход. Поскольку R_вx и k велики, в рабочем (линейном) режиме напряжения на обоих входах О. у. практически одинаковы и почти не отличаются от 0 ("виртуальный нуль").
В суммирующем О. у. при подаче сигналов на инвертирующий вход (рис. 1)

Рис. 1.

U_вых = -[RU_вх1/R_ос + R₂U_вх2/R_ос + R₃U_вх3/R_ос].

К неинвертирующему входу иногда подключают балансировочный резистор R_б ~ _ос. Входное сопротивление такой схемы со стороны источника сигнала при одном входе U_вх1, R_вх ~ R₁. При использовании неинвертирующего входа (рис. 2) U_вых = U_вх(l + R_ос /R₁). Поскольку входное сопротивление такой схемы велико, её иногда используют для согласования выхода высокоомного генератора с низкоомной нагрузкой (при R_ос " R₁ как повторитель напряжения).

В схеме, изображённой на рис. 3. U_вых = - R_ОСU_вх/R₁+R₃(R₁+R_ОС)U_вх/R₁(R₂+R₃) при R₁=R₂=R_ос.

U_вых = U_вх2 - U_вх1 (дифференц. схема).

Рис. 3.

С помощью О. у. можно осуществить операции интегрирования и дифференцирования (с одноврем. суммированием). В схеме интегрирования (рис. 4, а)

где K_иl = 1/R₁С_ос, К_{и2 =} 1/R₂С_ос. В схеме дифференцирования (рис. 4, б)

U_вых = - K_д1dU_вх1/dt - K_д2dU_вх2/dt,

где К_д1 = R_OCC₁, К_д2 = R_OCC₂ (см. также Дифференцирующая цепь, Интегрирующая цепь).

Рис. 4.

В схемах, приведённых на рис. 1 - 4, должен сохраняться линейный режим, т. е. напряжение на выходе не должно достигать границU_mах. Используя комбинации внеш. элементов, строят модели разл. линейных динамич. систем (электронные аналоговые модели). В электронных схемах О. у. применяют для преобразования и фильтрации сигналов, в т. ч. импульсных (напр., для преобразования прямоугольных напряжений в пилообразные и обратно). О. у. применяют также для генерирования колебаний (в т. ч. импульсных), при этом используют нелинейные режимы О. у. (выходное напряжение за пределамиU_mах). О. у. используют также в аналоговых вычислит. машинах, где с их помощью выполняют линейные операции и нелинейные преобразования (возведение в степень, перемножение и др.). Иногда используют также гидравлич., пневматич., магн. и др. О. у.

Лит.: Алексенко А. Г., Шагуриy И. И., Микросхемотехника, М., 1982.

Б. X. Кривицкий.